De la fixation des os à la réalisation de surfaces antibactériennes, Michael Allen s'entretient avec les chercheurs qui fabriquent du verre doté de fonctionnalités et de performances supplémentaires
Le verre est omniprésent dans la vie de tous les jours. Très transparent, stable et durable, c’est un matériau important pour une myriade d’applications, des simples fenêtres aux écrans tactiles de nos derniers gadgets en passant par les composants photoniques pour les capteurs de haute technologie.
Les verres les plus courants sont fabriqués à partir de silice, de chaux et de soude. Mais depuis des siècles, des ingrédients supplémentaires ont été ajoutés au verre pour lui conférer des propriétés telles que la couleur et la résistance à la chaleur. Et les chercheurs travaillent toujours sur le verre, cherchant à lui donner davantage de fonctionnalités et à améliorer ses performances pour des tâches spécifiques, créant ainsi un verre de plus en plus technologique et ce que l’on pourrait appeler du verre « intelligent ».
Les matériaux intelligents ne sont pas faciles à définir, mais d’une manière générale, ils sont conçus pour répondre d’une manière spécifique aux stimuli externes. En termes de verre, l’application « intelligente » la plus évidente concerne les fenêtres – en particulier le contrôle de la quantité de lumière qui traverse le verre. De cette façon, nous pouvons améliorer l'efficacité énergétique de n'importe quel bâtiment : en réduisant la chaleur en été, tout en le gardant au chaud par temps froid.
Tension de fenêtre
La couleur ou l’opacité de certains verres intelligents peut être modifiée en appliquant une tension au matériau, modifiant ainsi certaines propriétés optiques – telles que l’absorption et la réflectance – de manière réversible. De telles fenêtres intelligentes « électrochromes » peuvent contrôler à la demande la transmission de certaines fréquences de lumière, telles que les ultraviolets ou les infrarouges, voire les bloquer complètement. L’application de cette technologie est populaire non seulement dans les bâtiments, mais également dans les écrans électroniques et les vitres teintées des voitures.
En effet, les fenêtres électrochromes sont en avance sur les autres technologies dans ce domaine et ont déjà été commercialisées. Mais malgré leur bon fonctionnement, ils présentent des inconvénients évidents. Ils sont assez complexes et coûteux, et leur rénovation sur des bâtiments plus anciens nécessite généralement l'installation de nouvelles fenêtres, de nouveaux cadres de fenêtres et de nouvelles connexions électriques. Ils ne sont pas non plus automatiques : vous devez les allumer et les éteindre.
Pour résoudre certains de ces problèmes, les chercheurs ont travaillé sur des fenêtres thermochromiques, qui sont déclenchées par des changements de température plutôt que de tension. L’un de leurs principaux attraits est qu’ils sont passifs : une fois installés, leurs propriétés changent avec la température ambiante, sans intervention humaine. La méthode dominante pour créer de telles fenêtres thermochromiques consiste à appliquer une couche de dioxyde de vanadium sur le verre (Joule 10.1016 / j.joule.2018.06.018), mais d'autres matériaux comme les pérovskites peuvent également être utilisés (J.App. Énergie 254 113690). Ces matériaux subissent une transition de phase, devenant plus ou moins transparents à mesure que la température change, un effet qui peut être adapté à différentes conditions.
Bien que le dioxyde de vanadium soit très prometteur pour les fenêtres intelligentes, il reste des obstacles à surmonter. En raison de sa forte absorption, le dioxyde de vanadium produit une teinte jaune brunâtre désagréable et des travaux supplémentaires sont nécessaires sur la stabilité environnementale (Av. Fab. 6 1). Une étude récente suggère également que même si ces technologies pourraient permettre des économies d'énergie significatives, des recherches supplémentaires sont nécessaires sur leur utilisation et leur impact dans des contextes réels. Par exemple, il a été constaté que la performance énergétique des fenêtres thermochromiques varie beaucoup entre les différentes villes utilisant le même type de film, mais beaucoup moins entre les différents types de films utilisés dans la même ville (J.App. Énergie 255 113522).
Mais le verre de haute technologie ne s’arrête pas aux fenêtres intelligentes. Les chercheurs ont découvert que l’ajout de métaux inhabituels au verre peut contribuer à protéger les panneaux solaires et à les rendre plus efficaces (voir encadré : Améliorer le verre de couverture photovoltaïque). Le verre bioactif, quant à lui, peut nous aider à faire repousser les os et d'autres tissus (voir encadré : Fixer les os et autres tissus), tandis que de nouveaux procédés de gravure pourraient nous permettre d'ajouter de multiples fonctions au verre sans avoir besoin de revêtements de surface (voir encadré : Antireflet). , autonettoyant et antibactérien). Et même s’il ne s’agit pas de lunettes optiques traditionnelles, de nouveaux matériaux à changement de phase pourraient contribuer à créer des systèmes optiques plus légers et plus compacts (voir encadré : Contrôle non mécanique de la lumière). Enfin, le verre pourrait même un jour se guérir tout seul (voir encadré : Le verre immortel).
Améliorer le verre de couverture photovoltaïque
Cela peut paraître surprenant, mais toute la lumière du soleil n’est pas bonne pour les cellules solaires. Alors que les unités photovoltaïques convertissent la lumière infrarouge et visible en énergie électrique, la lumière ultraviolette (UV) les endommage. Tout comme un coup de soleil, la lumière UV a un impact négatif sur les polymères à base de carbone utilisés dans les cellules photovoltaïques organiques. Les chercheurs ont découvert que les dommages causés par la lumière UV rendent la couche semi-conductrice organique plus résistante électriquement, réduisant ainsi le flux de courant et l’efficacité globale de la cellule.
Ce problème ne se limite pas aux cellules organiques. La lumière UV entrave également le photovoltaïque à base de silicium, plus courant, qui consiste en un empilement de différents matériaux. La couche photoactive à base de silicium est prise en sandwich entre des polymères qui la protègent de la pénétration de l'eau, et cette unité est ensuite surmontée d'un couvercle en verre, qui la protège davantage des éléments tout en laissant passer la lumière du soleil. Le problème de la lumière UV est qu’elle endommage les polymères, permettant à l’eau de pénétrer et de corroder les électrodes.
Paul Binham, expert en verre à l'Université de Sheffield Hallam, au Royaume-Uni, explique que pour améliorer l'efficacité des panneaux solaires, « la direction primordiale au cours des dernières décennies a été de rendre le verre de plus en plus clair ». Cela signifie éliminer les produits chimiques qui colorent le verre, comme le fer, qui produit une teinte verte. Malheureusement, comme l'explique Bingham, cela laisse passer davantage de lumière UV, endommageant davantage le polymère.
Bingham et ses collègues sont donc allés dans l’autre direction : ils ont dopé chimiquement le verre de manière à ce qu’il absorbe la lumière UV nocive tout en restant transparent à la lumière infrarouge et visible utile. Le fer n’est toujours pas un additif idéal, car il absorbe certaines longueurs d’onde visibles et infrarouges, et il en va de même pour d’autres métaux de transition de premier rang tels que le chrome et le cobalt.
Au lieu de cela, l’équipe de Bingham a expérimenté des éléments de transition de deuxième et troisième rangées qui ne seraient normalement pas ajoutés au verre, tels que le niobium, le tantale et le zirconium, ainsi que d’autres métaux comme le bismuth et l’étain. Ceux-ci créent une forte absorption des UV sans aucune coloration visible. Lorsqu'il est utilisé dans le verre de couverture, cela prolonge la durée de vie des systèmes photovoltaïques et les aide à maintenir un rendement plus élevé, de sorte qu'ils génèrent plus d'électricité pendant plus longtemps.
Le processus présente également un autre avantage. "Ce que nous avons découvert, c'est que de nombreux dopants absorbent les photons UV, perdent un peu d'énergie, puis les réémettent sous forme de photons visibles, donc essentiellement de fluorescence", explique Bingham. Ils créent des photons utiles qui peuvent être convertis en énergie électrique. Dans une étude récente, les chercheurs ont montré que de tels verres peuvent améliorer l'efficacité des modules solaires jusqu'à environ 8 % par rapport au verre de protection standard (Programme. en Photovoltaïque 10.1002/pip.3334).
Réparer les os et autres tissus
En 1969, l'ingénieur biomédical Larry Hench, de l'Université de Floride, cherchait un matériau capable de se lier aux os sans être rejeté par le corps humain. Alors qu'il travaillait sur une proposition pour le Commandement de la recherche et de la conception médicale de l'armée américaine, Hench s'est rendu compte qu'il existait un besoin pour un nouveau matériau capable de former un lien vivant avec les tissus du corps, sans être rejeté, comme c'est souvent le cas avec le métal. et implants en plastique. Il a finalement synthétisé le Bioglass 45S5, une composition particulière de verre bioactif qui est maintenant déposée par l'Université de Floride.
Combinaison spécifique d'oxyde de sodium, d'oxyde de calcium, de dioxyde de silicium et de pentoxyde de phosphore, le verre bioactif est désormais utilisé comme traitement orthopédique pour restaurer les os endommagés et réparer les défauts osseux. "Le verre bioactif est un matériau que vous introduisez dans le corps et qui commence à se dissoudre. Ce faisant, il indique aux cellules et aux os de devenir plus actifs et de produire de nouveaux os", explique Julien Jones, un expert en la matière, de l'Imperial College de Londres, au Royaume-Uni.
Jones explique qu'il y a deux raisons principales pour lesquelles le verre fonctionne si bien. Premièrement, en se dissolvant, il forme une couche superficielle d’apatite hydroxycarbonate, similaire au minéral présent dans les os. Cela signifie qu’il interagit avec les os et que le corps le considère comme un objet natif plutôt qu’étranger. Deuxièmement, en se dissolvant, le verre libère des ions qui signalent aux cellules de produire de nouveaux os.
Cliniquement, le verre bioactif est principalement utilisé sous forme de poudre transformée en mastic puis poussée dans le défaut osseux, mais Jones et ses collègues ont travaillé sur des matériaux de type échafaudage imprimés en 3D pour des réparations structurelles plus importantes. Il s’agit d’hybrides inorganiques-organiques de verre bioactif et de polymère qu’ils appellent Bioglass rebondissant. L’architecture imprimée en 3D offre de bonnes propriétés mécaniques, mais aussi une structure qui encourage les cellules à se développer correctement. En fait, Jones a découvert qu'en modifiant la taille des pores de l'échafaudage, les cellules souches de la moelle osseuse peuvent être encouragées à développer des os ou du cartilage. «Nous avons eu énormément de succès avec le cartilage rebondissant Bioglass», explique Jones.
Le verre bioactif est également utilisé pour régénérer les plaies chroniques, comme celles provoquées par les ulcères diabétiques. Des recherches ont montré que la laine de coton comme les pansements en verre peuvent guérir les plaies, telles que les ulcères du pied diabétique, qui n'ont pas répondu à d'autres traitements (Int. Blessure J. 19 791).
Mais Jones affirme que l’utilisation la plus courante du verre bioactif se fait dans certains dentifrices sensibles, où il favorise la minéralisation naturelle des dents. "Vous avez des dents sensibles parce que vous avez des tubules qui pénètrent dans la cavité nerveuse au centre de la dent, donc si vous minéralisez ces tubules, il n'y a aucun moyen d'accéder à la cavité pulpaire", explique-t-il.
Antireflet, autonettoyant et antibactérien
À l’University College de Londres, des chercheurs ont gravé des structures nanométriques sur la surface du verre pour lui conférer de multiples fonctions différentes. Des techniques similaires ont été essayées dans le passé, mais il s’est avéré difficile et compliqué de structurer la surface du verre avec suffisamment de détails. Nanoingénieur Ioannis Papakonstantinou et ses collègues ont cependant récemment développé un nouveau procédé de lithographie qui leur permet de détailler le verre avec une précision nanométrique (Adv. Maître. 33 2102175).
Inspirés par les papillons de nuit qui utilisent des structures similaires pour le camouflage optique et acoustique, les chercheurs ont gravé une surface de verre avec un ensemble de cônes nanométriques inférieurs à la longueur d'onde pour réduire sa réflectivité. Ils ont constaté que cette surface structurée réfléchissait moins de 3 % de la lumière, alors qu’un verre témoin en réfléchissait environ 7 %. Papakonstantinou explique que les nanocônes aident à combler les changements entre l'indice de réfraction de la surface du verre et celui de l'air, en atténuant la transition air-verre, généralement abrupte. Cela réduit la diffusion et donc la quantité de lumière réfléchie par la surface.
La surface est également superhydrophobe, repoussant les gouttelettes d’eau et d’huile afin qu’elles rebondissent sur les coussins d’air emprisonnés dans les nanostructures. Au fur et à mesure que les gouttelettes s'échappent, elles ramassent les contaminants et la saleté, rendant le verre autonettoyant, comme l'explique Papakonstantinou. Et comme dernier avantage, les bactéries ont du mal à survivre sur le verre, les cônes pointus perçant leurs membranes cellulaires. En se concentrant sur Staphylococcus aureus – les bactéries responsables des infections à staphylocoques – la microscopie électronique à balayage a montré que 80 % des bactéries qui se déposent en surface meurent, contre environ 10 % sur du verre standard. Selon les chercheurs, il s’agit de la première démonstration d’une surface en verre antibactérienne.
Contrôle non mécanique de la lumière
La lumière est généralement contrôlée dans les systèmes optiques par des pièces mobiles, comme une lentille qui peut être manipulée pour changer le point focal de la lumière ou diriger un faisceau. Mais une nouvelle classe de matériaux à changement de phase (PCM) pourrait modifier les propriétés des composants optiques sans aucune intervention mécanique.
Un PCM peut passer d'une structure cristalline organisée à une structure amorphe et semblable à du verre lorsqu'une certaine forme d'énergie, telle qu'un courant électrique, est appliquée. De tels matériaux sont utilisés depuis longtemps pour stocker des données sur des disques optiques, les deux phases représentant les deux états binaires. Mais ces matériaux n'ont pas vraiment été utilisés en optique au-delà de ces applications, car l'une des phases est normalement opaque.
Cependant, récemment, des chercheurs américains ont créé une nouvelle classe de PCM basée sur les éléments germanium, antimoine, sélénium et tellure, connue sous le nom de GSST (Communication Nature 10 4279). Ils ont découvert que même si les états vitreux et cristallins de ces matériaux sont transparents à la lumière infrarouge, ils ont des indices de réfraction très différents. Cela peut être exploité pour créer des optiques reconfigurables capables de contrôler la lumière infrarouge.
Juejun Hu, scientifique en matériaux au Massachusetts Institute of Technology, affirme qu'au lieu d'avoir un dispositif optique avec une seule application, vous pouvez le programmer pour qu'il ait plusieurs fonctions différentes. « On pourrait même passer d'une lentille à un réseau de diffraction ou à un prisme », explique-t-il.
Les propriétés des PCM sont mieux utilisées, dit Hu, en créant des métamatériaux optiques, dans lesquels des structures nanométriques de longueur d'onde sont façonnées à la surface et chacune est réglée pour interagir avec la lumière d'une manière spécifique afin de créer un effet souhaité, tel que la focalisation. un faisceau de lumière. Lorsqu’un courant électrique est appliqué au matériau, la façon dont les nanostructures de surface interagissent avec la lumière change à mesure que l’état et l’indice de réfraction du matériau changent.
L’équipe a déjà démontré qu’elle pouvait créer des éléments tels que des zooms et des obturateurs optiques capables d’éteindre rapidement un faisceau de lumière. Kathleen Richardson, un expert en matériaux optiques et photoniques à l'Université de Floride centrale, qui a travaillé avec Hu sur les matériaux GSST, affirme que ces matériaux pourraient simplifier et réduire la taille des capteurs et autres dispositifs optiques. Ils permettraient de combiner plusieurs mécanismes optiques, réduisant ainsi le nombre de pièces individuelles et supprimant le besoin de divers éléments mécaniques. « Plusieurs fonctions dans le même composant rendent la plate-forme plus petite, plus compacte et plus légère », explique Richardson.
Verre immortel
« Vous pouvez contourner les lois de la physique, mais vous ne pouvez pas les enfreindre », explique Paul Bingham, spécialisé dans les verres et la céramique à l'Université de Sheffield Hallam, au Royaume-Uni. "Fondamentalement, le verre est un matériau fragile et si vous appliquez suffisamment de force sur une partie suffisamment petite du verre, il va se briser." Il existe néanmoins de nombreuses manières d’améliorer leurs performances.
Pensez aux téléphones portables. La plupart des écrans de smartphones sont fabriqués à partir de verre trempé chimiquement, le plus courant étant Gorilla Glass. Développé par Corning dans les années 2000, ce verre solide, résistant aux rayures et pourtant fin, se retrouve désormais dans environ cinq milliards de smartphones, tablettes et autres appareils électroniques. Mais le verre chimiquement renforcé n’est pas totalement incassable. En fait, l’écran du téléphone de Bingham est cassé. "Je l'ai laissé tomber une fois, puis je l'ai laissé tomber à nouveau et il a atterri exactement au même point et la partie était terminée", dit-il.
Pour améliorer encore la durabilité des écrans de verre, Bingham a travaillé sur un projet intitulé « Manufacturing Immortality » avec des scientifiques spécialisés dans les polymères de l'Université de Northumbria, dirigés par le chimiste Justin Perry, qui ont développé des polymères auto-réparateurs. Si vous coupez ces polymères auto-réparateurs en deux et que vous rapprochez ensuite les morceaux, ils se rejoindront avec le temps. Les chercheurs ont expérimenté l’application de revêtements de tels matériaux sur le verre.
Si vous appliquez suffisamment de force, ces écrans vont quand même se briser, mais si vous en laissez tomber un et que vous fissurez la couche de polymère, il pourrait s'auto-réparer. Cela se produit dans des conditions ambiantes à température ambiante, même si les réchauffer un peu, en les laissant dans un endroit chaud par exemple, pourrait accélérer le processus. « Il s’agit d’améliorer la durée de vie des produits, de les rendre plus durables et plus résilients », explique Bingham. Et cela pourrait être utile pour de nombreux produits qui utilisent le verre comme couche protectrice, pas seulement pour les smartphones.
