'स्मार्ट' ग्लास में एक नई विंडो

फोटोवोल्टिक कवर ग्लास में सुधार

यह आश्चर्यजनक लग सकता है, लेकिन सभी सूर्य के प्रकाश सौर कोशिकाओं के लिए अच्छे नहीं होते हैं। जबकि फोटोवोल्टिक इकाइयां अवरक्त और दृश्य प्रकाश को विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित करती हैं, पराबैंगनी (यूवी) प्रकाश उन्हें नुकसान पहुंचाता है। सनबर्न के मामले की तरह, यूवी प्रकाश कार्बनिक फोटोवोल्टिक कोशिकाओं में उपयोग किए जाने वाले कार्बन-आधारित पॉलिमर पर नकारात्मक प्रभाव डालता है। शोधकर्ताओं ने पाया है कि यूवी प्रकाश से नुकसान कार्बनिक अर्धचालक परत को अधिक विद्युत प्रतिरोधी बनाता है, जिससे वर्तमान प्रवाह और सेल की समग्र दक्षता कम हो जाती है।

यह समस्या ऑर्गेनिक कोशिकाओं तक सीमित नहीं है। यूवी प्रकाश अधिक सामान्य सिलिकॉन-आधारित फोटोवोल्टिक को भी बाधित करता है, जिसमें विभिन्न सामग्रियों का ढेर होता है। सिलिकॉन-आधारित फोटोएक्टिव परत पॉलिमर के बीच सैंडविच होती है जो इसे पानी के प्रवेश से बचाती है, और इस इकाई को फिर एक ग्लास कवर के साथ शीर्ष पर रखा जाता है, जो इसे सूर्य के प्रकाश की अनुमति देते हुए तत्वों से बचाता है। यूवी प्रकाश के साथ समस्या यह है कि यह पॉलिमर को नुकसान पहुंचाता है, जिससे पानी इलेक्ट्रोड में घुस जाता है और खराब हो जाता है।

पॉल बिंघमयूके के शेफ़ील्ड हॉलम विश्वविद्यालय में कांच के एक विशेषज्ञ, बताते हैं कि सौर-पैनल दक्षता में सुधार करने के लिए "पिछले कुछ दशकों में यात्रा की प्रमुख दिशा कांच को स्पष्ट और स्पष्ट करना रही है"। इसका मतलब है कि कांच को रंगने वाले रसायनों को हटाना, जैसे कि लोहा, जो एक हरे रंग का रंग पैदा करता है। दुर्भाग्य से, जैसा कि बिंघम बताते हैं, यह अधिक यूवी प्रकाश के माध्यम से बहुलक को और अधिक नुकसान पहुंचाता है।

इसलिए बिंघम और उनके सहयोगी दूसरी दिशा में जा रहे हैं - वे रासायनिक रूप से डोपिंग ग्लास रहे हैं जैसे कि यह हानिकारक यूवी प्रकाश को अवशोषित करता है लेकिन उपयोगी इन्फ्रारेड और दृश्यमान प्रकाश के लिए पारदर्शी है। लोहा अभी भी एक आदर्श योजक नहीं है, क्योंकि यह कुछ दृश्यमान और अवरक्त तरंग दैर्ध्य को अवशोषित करता है, और यह क्रोमियम और कोबाल्ट जैसी अन्य पहली-पंक्ति संक्रमण धातुओं के लिए भी सच है।

इसके बजाय, बिंघम की टीम दूसरी और तीसरी पंक्ति के संक्रमण तत्वों के साथ प्रयोग कर रही है जो सामान्य रूप से ग्लास में नहीं जोड़े जाते हैं, जैसे कि नाइओबियम, टैंटलम और ज़िरकोनियम, साथ ही बिस्मथ और टिन जैसी अन्य धातुएँ। ये बिना किसी दृश्यमान रंग के मजबूत यूवी अवशोषण बनाते हैं। जब कवर ग्लास में उपयोग किया जाता है, तो यह फोटोवोल्टिक के जीवनकाल को बढ़ाता है और उन्हें उच्च दक्षता बनाए रखने में मदद करता है, इसलिए वे अधिक समय तक अधिक बिजली उत्पन्न करते हैं।

प्रक्रिया का एक और लाभ भी है। "हमने जो पाया है वह यह है कि कई डोपेंट यूवी फोटॉन को अवशोषित करते हैं, थोड़ी सी ऊर्जा खो देते हैं और फिर वे उन्हें दृश्यमान फोटॉन के रूप में फिर से उत्सर्जित करते हैं, इसलिए मूल रूप से फ्लोरोसेंस," बिंघम कहते हैं। वे उपयोगी फोटॉन बनाते हैं जिन्हें विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित किया जा सकता है। हाल के एक अध्ययन में, शोधकर्ताओं ने दिखाया कि इस तरह के चश्मे मानक कवर ग्लास की तुलना में सौर मॉड्यूल की दक्षता में लगभग 8% तक सुधार कर सकते हैं (कार्यक्रम फोटोवोल्टिक में 10.1002/पाइप.3334).

हड्डियों और अन्य ऊतकों को ठीक करना

1969 में फ्लोरिडा विश्वविद्यालय के बायोमेडिकल इंजीनियर लैरी हेन्च एक ऐसी सामग्री की तलाश में थे जो मानव शरीर द्वारा अस्वीकार किए बिना हड्डी से बंध सके। यूएस आर्मी मेडिकल रिसर्च एंड डिज़ाइन कमांड के प्रस्ताव पर काम करते हुए, हेंच ने महसूस किया कि एक नई सामग्री की आवश्यकता थी जो शरीर में ऊतकों के साथ एक जीवित बंधन बना सके, जबकि खारिज नहीं किया जा रहा था, जैसा कि अक्सर धातु के मामले में होता है। और प्लास्टिक प्रत्यारोपण। उन्होंने अंततः बायोग्लास 45S5 को संश्लेषित किया, बायोएक्टिव ग्लास की एक विशेष संरचना जिसे अब फ्लोरिडा विश्वविद्यालय द्वारा ट्रेडमार्क किया गया है।

सोडियम ऑक्साइड, कैल्शियम ऑक्साइड, सिलिकॉन डाइऑक्साइड और फास्फोरस पेंटोक्साइड, बायोएक्टिव ग्लास का एक विशिष्ट संयोजन अब क्षतिग्रस्त हड्डी को बहाल करने और हड्डी के दोषों की मरम्मत के लिए आर्थोपेडिक उपचार के रूप में उपयोग किया जाता है। "बायोएक्टिव ग्लास एक सामग्री है जिसे आप शरीर में डालते हैं और यह घुलने लगता है, और जैसा कि यह वास्तव में कोशिकाओं और हड्डी को अधिक सक्रिय होने और नई हड्डी का उत्पादन करने के लिए कहता है," कहते हैं जूलियन जोन्स, सामग्री में एक विशेषज्ञ, इंपीरियल कॉलेज लंदन, यूके से।

जोन्स बताते हैं कि कांच के इतनी अच्छी तरह से काम करने के दो मुख्य कारण हैं। सबसे पहले, जैसे ही यह घुल जाता है, यह हाइड्रॉक्सीकार्बोनेट एपेटाइट की एक सतह परत बनाता है, जो हड्डी में खनिज के समान होता है। इसका मतलब यह है कि यह हड्डी के साथ संपर्क करता है और शरीर इसे विदेशी वस्तु के बजाय देशी के रूप में देखता है। दूसरा, जैसे ही यह घुलता है, कांच आयनों को छोड़ता है जो कोशिकाओं को नई हड्डी बनाने के लिए संकेत देता है।

चिकित्सकीय रूप से, बायोएक्टिव ग्लास का उपयोग मुख्य रूप से एक पाउडर के रूप में किया जाता है जो एक पोटीन में बनता है और फिर हड्डी के दोष में धकेल दिया जाता है, लेकिन जोन्स और उनके सहयोगी बड़े संरचनात्मक मरम्मत के लिए 3 डी-मुद्रित मचान जैसी सामग्री पर काम कर रहे हैं। ये बायोएक्टिव ग्लास और पॉलीमर के अकार्बनिक-ऑर्गेनिक हाइब्रिड हैं जिन्हें वे उछाल वाले बायोग्लास के रूप में संदर्भित करते हैं। 3डी-मुद्रित आर्किटेक्चर अच्छे यांत्रिक गुण प्रदान करता है, लेकिन यह एक ऐसी संरचना भी है जो कोशिकाओं को सही तरीके से बढ़ने के लिए प्रोत्साहित करती है। वास्तव में, जोन्स ने पाया है कि मचान के छिद्र के आकार को बदलकर, अस्थि मज्जा स्टेम कोशिकाओं को हड्डी या उपास्थि को विकसित करने के लिए प्रोत्साहित किया जा सकता है। "हमें उछालभरी बायोग्लास कार्टिलेज के साथ बड़ी मात्रा में सफलता मिली है," जोन्स कहते हैं।

मधुमेह के अल्सर के कारण होने वाले पुराने घावों को पुन: उत्पन्न करने के लिए बायोएक्टिव ग्लास का भी उपयोग किया जा रहा है। अनुसंधान से पता चला है कि रूई की तरह कांच की ड्रेसिंग घावों को ठीक कर सकती है, जैसे कि मधुमेह के पैर के अल्सर, जिन्होंने अन्य उपचारों का जवाब नहीं दिया है (इंट. घाव जे. 19 791).

लेकिन जोन्स का कहना है कि बायोएक्टिव ग्लास का सबसे आम उपयोग कुछ संवेदनशील टूथपेस्ट में होता है, जहां यह दांतों के प्राकृतिक खनिजकरण को बढ़ावा देता है। "आपके पास संवेदनशील दांत हैं क्योंकि आपके पास नलिकाएं हैं जो दांत के केंद्र में आपके तंत्रिका गुहा में जाती हैं, इसलिए यदि आप उन नलिकाओं को खनिज करते हैं तो लुगदी गुहा में कोई रास्ता नहीं है," वे बताते हैं।

विरोधी चिंतनशील, स्वयं सफाई और जीवाणुरोधी

यूनिवर्सिटी कॉलेज लंदन में, शोधकर्ता कई अलग-अलग कार्यों को देने के लिए कांच की सतह में नैनोस्केल संरचनाओं को उकेर रहे हैं। अतीत में इसी तरह की तकनीकों की कोशिश की गई है, लेकिन कांच की सतह को ठीक से पर्याप्त विवरण के साथ संरचना करना चुनौतीपूर्ण और जटिल साबित हुआ है। नैनोइंजीनियर आयोन्निस पापाकोन्स्टेंटिनौ और उनके सहयोगियों ने, हालांकि, हाल ही में एक उपन्यास लिथोग्राफी प्रक्रिया विकसित की है जो उन्हें नैनोस्केल परिशुद्धता के साथ कांच का विस्तार करने की अनुमति देती है (अभिभाषक। मेटर। 33 2102175).

ऑप्टिकल और ध्वनिक छलावरण के लिए समान संरचनाओं का उपयोग करने वाले पतंगों से प्रेरित होकर, शोधकर्ताओं ने इसकी परावर्तकता को कम करने के लिए उप-तरंग दैर्ध्य, नैनोस्केल शंकु की एक सरणी के साथ एक कांच की सतह को उकेरा। उन्होंने पाया कि यह संरचित सतह 3% से कम प्रकाश परावर्तित होती है, जबकि एक नियंत्रण कांच लगभग 7% परावर्तित होता है। Papakonstantinou बताते हैं कि नैनोकोन आमतौर पर अचानक हवा से कांच के संक्रमण को सुचारू करके कांच की सतह और हवा के अपवर्तक सूचकांक के बीच पुल परिवर्तन में मदद करते हैं। यह प्रकीर्णन को कम करता है और इसलिए प्रकाश की मात्रा जो सतह से परावर्तित होती है।

सतह भी सुपरहाइड्रोफोबिक है, पानी और तेल की बूंदों को पीछे हटाती है ताकि वे नैनोस्ट्रक्चर में फंसी हवा के कुशन को उछाल दें। जैसे ही बूंदें लुढ़कती हैं, वे दूषित और गंदगी उठाती हैं, जिससे कांच स्वयं-सफाई हो जाता है, जैसा कि पापाकोन्स्टेंटिनौ बताते हैं। और अंतिम लाभ के रूप में, बैक्टीरिया कांच पर जीवित रहने के लिए संघर्ष करते हैं, तेज शंकु उनके कोशिका झिल्ली को छेदते हैं। ध्यान रखते हुए Staphylococcus aureus - बैक्टीरिया जो स्टैफ संक्रमण का कारण बनते हैं - स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी से पता चला है कि मानक ग्लास पर लगभग 80% की तुलना में सतह पर बसने वाले 10% बैक्टीरिया मर जाते हैं। शोधकर्ताओं के अनुसार, यह एक जीवाणुरोधी कांच की सतह का पहला प्रदर्शन है।

प्रकाश का गैर-यांत्रिक नियंत्रण

प्रकाश को आमतौर पर ऑप्टिकल सिस्टम में भागों को घुमाकर नियंत्रित किया जाता है, जैसे कि एक लेंस जिसे प्रकाश के केंद्र बिंदु को बदलने या बीम को चलाने के लिए हेरफेर किया जा सकता है। लेकिन चरण-परिवर्तन सामग्री (पीसीएम) का एक नया वर्ग बिना किसी यांत्रिक हस्तक्षेप के ऑप्टिकल घटकों के गुणों को बदल सकता है।

एक पीसीएम एक संगठित क्रिस्टलीय संरचना के बीच अनाकार और कांच की तरह होने के बीच स्विच कर सकता है जब किसी प्रकार की ऊर्जा, जैसे कि विद्युत प्रवाह, लागू होता है। इस तरह की सामग्रियों का उपयोग लंबे समय से ऑप्टिकल डिस्क पर डेटा स्टोर करने के लिए किया जाता है, जिसमें दो चरण दो बाइनरी राज्यों का प्रतिनिधित्व करते हैं। लेकिन इन सामग्रियों का वास्तव में ऐसे अनुप्रयोगों से परे प्रकाशिकी में उपयोग नहीं किया गया है, क्योंकि चरणों में से एक सामान्य रूप से अपारदर्शी है।

हाल ही में, हालांकि, अमेरिका में शोधकर्ताओं ने जर्मेनियम, एंटीमनी, सेलेनियम और टेल्यूरियम तत्वों के आधार पर पीसीएम का एक नया वर्ग बनाया है, जिसे जीएसएसटी के रूप में जाना जाता है।नेचर कॉमस 10 4279) उन्होंने पाया कि इन सामग्रियों की कांच और क्रिस्टलीय दोनों अवस्थाएं अवरक्त प्रकाश के लिए पारदर्शी हैं, लेकिन उनके पास व्यापक रूप से अलग-अलग अपवर्तक सूचकांक हैं। इसका उपयोग पुन: कॉन्फ़िगर करने योग्य प्रकाशिकी बनाने के लिए किया जा सकता है जो अवरक्त प्रकाश को नियंत्रित कर सकता है।

जुएजुन हुआमैसाचुसेट्स इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी के एक सामग्री वैज्ञानिक का कहना है कि एक एप्लिकेशन के साथ एक ऑप्टिकल डिवाइस होने के बजाय, आप इसे कई अलग-अलग कार्यों के लिए प्रोग्राम कर सकते हैं। "आप एक लेंस से एक विवर्तन झंझरी या एक प्रिज्म पर भी स्विच कर सकते हैं," वे बताते हैं।

पीसीएम के गुणों का सबसे अच्छा उपयोग किया जाता है, हू कहते हैं, ऑप्टिकल मेटामटेरियल्स बनाकर, जिसमें सतह पर नैनोस्केल, उप-तरंग दैर्ध्य संरचनाएं बनाई जाती हैं और प्रत्येक को वांछित प्रभाव बनाने के लिए एक विशिष्ट तरीके से प्रकाश के साथ बातचीत करने के लिए ट्यून किया जाता है, जैसे फोकस करना प्रकाश की एक किरण। जब सामग्री पर विद्युत प्रवाह लागू किया जाता है, तो जिस तरह से सतह के नैनोस्ट्रक्चर प्रकाश के साथ बातचीत करते हैं, सामग्री की स्थिति और अपवर्तक सूचकांक स्विच के रूप में बदल जाता है।

टीम ने पहले ही प्रदर्शित कर दिया है कि वह ज़ूम लेंस और ऑप्टिकल शटर जैसे तत्व बना सकती है जो प्रकाश की किरण को जल्दी से बंद कर सकते हैं। कैथलीन रिचर्डसन, सेंट्रल फ्लोरिडा विश्वविद्यालय में ऑप्टिकल सामग्री और फोटोनिक्स में एक विशेषज्ञ, जिन्होंने जीएसटी सामग्री पर हू के साथ काम किया, का कहना है कि ये सामग्री सेंसर और अन्य ऑप्टिकल उपकरणों के आकार को सरल और कम कर सकती हैं। वे कई ऑप्टिकल तंत्रों को संयोजित करने, अलग-अलग हिस्सों की संख्या को कम करने और विभिन्न यांत्रिक तत्वों की आवश्यकता को दूर करने में सक्षम करेंगे। "एक ही घटक में कई कार्य मंच को छोटा, अधिक कॉम्पैक्ट और हल्का वजन बनाते हैं," रिचर्डसन बताते हैं।

अमर गिलास

"आप भौतिकी के नियमों को मोड़ सकते हैं, लेकिन आप उन्हें तोड़ नहीं सकते," पॉल बिंघम कहते हैं, जो ब्रिटेन के शेफ़ील्ड हॉलम विश्वविद्यालय में ग्लास और सिरेमिक में माहिर हैं। "मूल रूप से, कांच एक भंगुर पदार्थ है और यदि आप कांच के एक छोटे से हिस्से पर पर्याप्त बल लगाते हैं तो यह टूटने वाला है।" फिर भी, ऐसे कई तरीके हैं जिनसे उनके प्रदर्शन में सुधार किया जा सकता है।

मोबाइल फोन पर विचार करें। अधिकांश स्मार्टफोन स्क्रीन रासायनिक रूप से कड़े कांच से बने होते हैं, जिनमें सबसे आम है गोरिल्ला ग्लास. 2000 के दशक में कॉर्निंग द्वारा विकसित, यह मजबूत, खरोंच प्रतिरोधी अभी तक पतला ग्लास अब लगभग पांच अरब स्मार्टफोन, टैबलेट और अन्य इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में पाया जा सकता है। लेकिन रासायनिक रूप से मजबूत कांच पूरी तरह से अटूट नहीं है। दरअसल, बिंघम के फोन की स्क्रीन टूट गई है। "मैंने इसे एक बार गिरा दिया और फिर मैंने इसे फिर से गिरा दिया और यह ठीक उसी बिंदु पर उतरा और वह खेल खत्म हो गया," वे कहते हैं।

ग्लास स्क्रीन के स्थायित्व को और बेहतर बनाने के लिए, बिंघम नॉर्थम्ब्रिया विश्वविद्यालय में पॉलिमर वैज्ञानिकों के साथ "विनिर्माण अमरता" नामक एक परियोजना पर काम कर रहा है, जिसका नेतृत्व रसायनज्ञ कर रहे हैं। जस्टिन पेरी, जिन्होंने सेल्फ-हीलिंग पॉलिमर विकसित किए हैं। यदि आप इन स्व-उपचार पॉलिमर को आधा में काटते हैं और फिर टुकड़ों को एक साथ धक्का देते हैं, तो वे समय के साथ वापस एक साथ जुड़ जाएंगे। शोधकर्ता कांच पर ऐसी सामग्री के लेप लगाने के लिए प्रयोग कर रहे हैं।

यदि आप पर्याप्त बल लगाते हैं, तो ये स्क्रीन अभी भी टूटने वाली हैं, लेकिन यदि आपने एक को गिरा दिया और बहुलक परत को तोड़ दिया तो यह स्वयं ठीक हो सकता है। यह परिवेश, कमरे के तापमान की परिस्थितियों में होगा, हालांकि उन्हें थोड़ा गर्म करके, उदाहरण के लिए उन्हें कहीं गर्म छोड़कर, प्रक्रिया को तेज कर सकता है। "यह उत्पादों के जीवनकाल में सुधार करने, उन्हें अधिक टिकाऊ बनाने और उन्हें अधिक लचीला बनाने के बारे में है," बिंघम कहते हैं। और यह कई उत्पादों के लिए उपयोगी हो सकता है जो केवल स्मार्टफोन ही नहीं, बल्कि एक सुरक्षात्मक परत के रूप में कांच का उपयोग करते हैं।