A csontok rögzítésétől az antibakteriális felületek elkészítéséig, Michael Allen beszélget a kutatókkal, akik olyan üveget készítenek, amely további funkciókkal és teljesítménnyel rendelkezik
Az üveg mindenütt jelen van a mindennapi életben. Rendkívül átlátszó, stabil és strapabíró, ezért számtalan alkalmazás számára fontos anyag, az egyszerű ablakoktól kezdve a legújabb kütyüink érintőképernyőin át a csúcstechnológiás érzékelők fotonikus alkatrészeiig.
A legelterjedtebb üvegek szilícium-dioxidból, mészből és szódából készülnek. De évszázadok óta további összetevőket adtak az üveghez, hogy olyan tulajdonságokat kölcsönözzenek, mint a szín és a hőállóság. A kutatók pedig még mindig dolgoznak az üvegen, hogy további funkcionalitást biztosítsanak neki, és javítsák teljesítményét bizonyos feladatokhoz, így egyre inkább csúcstechnológiás üvegeket és úgynevezett „okos” üvegeket hoznak létre.
Az intelligens anyagokat nem könnyű meghatározni, de általánosságban úgy tervezték, hogy sajátos módon reagáljanak a külső ingerekre. Az üveg tekintetében a legkézenfekvőbb „okos” alkalmazás az ablakokra vonatkozik – különösen az üvegen áthaladó fény mennyiségének szabályozására. Így bármely épület energiahatékonyságát növelhetjük: nyáron csökkentjük a hőt, míg hidegebb időben melegen tartjuk.
Ablakfeszültség
Egyes intelligens üvegek színe vagy átlátszatlansága megváltoztatható, ha feszültséget kapcsolunk az anyagra, ezáltal bizonyos optikai tulajdonságokat – például az abszorpciót és a reflexiót – reverzibilis módon megváltoztathatjuk. Az ilyen „elektrokróm” intelligens ablakok igény szerint szabályozhatják bizonyos frekvenciájú fények, például ultraibolya vagy infravörös áteresztőképességét, vagy akár teljesen blokkolhatják is azokat. Ennek a technológiának az alkalmazása nemcsak az épületekben, hanem az elektronikus kijelzőkben és a sötétített autóablakokban is népszerű.
Az elektrokróm ablakok valóban megelőzik más technológiákat ezen a területen, és már kereskedelmi forgalomba is kerültek. De annak ellenére, hogy jól működnek, van néhány nyilvánvaló hátrányuk. Ezek meglehetősen összetettek és drágák, és a régebbi épületekbe való utólagos felszerelésükhöz általában új ablakok, ablakkeretek és elektromos csatlakozások beszerelése szükséges. Nem is automatikusak – be- és kikapcsolni kell őket.
E problémák némelyikének megoldására a kutatók termokróm ablakokon dolgoztak, amelyeket a feszültség helyett a hőmérséklet változása vált ki. Az egyik nagy vonzerő az, hogy passzívak – a telepítést követően tulajdonságaik a környezeti hőmérséklettel változnak, nincs szükség emberi beavatkozásra. Az ilyen termokróm ablakok készítésének domináns módszere a vanádium-dioxid bevonat az üvegre.Joule 10.1016 / j.joule.2018.06.018), de más anyagok, például perovszkit is használhatók (J. App. Energia 254 113690). Ezek az anyagok fázisátalakuláson mennek keresztül, a hőmérséklet változásával többé-kevésbé átlátszóvá válnak, és ez a hatás különböző körülményekhez hangolható.
Míg a vanádium-dioxid sok ígéretet mutat az intelligens ablakok számára, vannak még leküzdendő akadályok. Erős felszívódása miatt a vanádium-dioxid kellemetlen barnás-sárgás árnyalatot hoz létre, és további munkára van szükség a környezeti stabilitáson (Adv. Gyárt. 6 1). Egy közelmúltbeli áttekintés arra is utal, hogy bár ezek a technológiák jelentős energiamegtakarítást eredményezhetnek, további kutatásra van szükség a valós környezetben való használatukkal és hatásukkal kapcsolatban. Például azt találták, hogy a termokróm ablakok energiateljesítménye nagymértékben eltér a különböző városok között, ahol ugyanazt a fóliatípust használják, de sokkal kevésbé az ugyanabban a városban használt különböző fóliatípusok között.J. App. Energia 255 113522).
A hi-tech üvegek azonban nem érnek véget az intelligens ablakokkal. A kutatók azt találták, hogy ha több szokatlan fémet adnak az üveghez, az segíthet megvédeni a napelemeket, és hatékonyabbá teheti őket (lásd a keretet: A fotovoltaikus fedőüveg javítása). Eközben a bioaktív üveg segíthet a csontok és más szövetek újranövekedésében (lásd a keretet: Csontok és egyéb szövetek rögzítése), míg az új maratási eljárások lehetővé tehetik, hogy több funkciót is hozzáadjunk az üveghez anélkül, hogy felületi bevonatokra lenne szükség (lásd a keretet: tükröződésgátló , öntisztító és antibakteriális). És bár nem a hagyományos optikai üvegek, az új fázisváltó anyagok segíthetnek könnyebb és kompaktabb optikai rendszerek létrehozásában (lásd a keretet: A fény nem mechanikus vezérlése). Végül, az üveg egy napon akár önmagát is meggyógyíthatja (lásd a dobozt: Halhatatlan üveg).
Javított fotovoltaikus fedőüveg
Meglepőnek tűnhet, de nem minden napfény tesz jót a napelemeknek. Míg a fotovoltaikus egységek infravörös és látható fényt elektromos energiává alakítanak át, az ultraibolya (UV) fény károsítja őket. Csakúgy, mint a napégés esetén, az UV-fény negatívan befolyásolja a szerves fotovoltaikus cellákban használt szénalapú polimereket. A kutatók azt találták, hogy az UV-fény által okozott károsodás elektromosan ellenállóbbá teszi a szerves félvezető réteget, csökkentve az áramáramlást és a cella általános hatékonyságát.
Ez a probléma nem korlátozódik a szerves sejtekre. Az UV-fény akadályozza a gyakoribb szilícium alapú fotovoltaikus elemeket is, amelyek különböző anyagokból állnak. A szilícium alapú fotoaktív réteget polimerek közé helyezik, amelyek megvédik a víz behatolásától, majd ezt az egységet üvegburkolattal látják el, amely tovább védi az elemektől, miközben átengedi a napfényt. Az UV fénnyel az a probléma, hogy károsítja a polimereket, lehetővé téve a víz behatolását és az elektródák korrodálódását.
Paul Bingham, a Sheffield Hallam Egyetem (Egyesült Királyság) üvegszakértője kifejti, hogy a napelemek hatékonyságának javítása érdekében „az elmúlt néhány évtizedben az volt a legfontosabb, hogy az üveget tisztábbá és tisztábbá tegyük”. Ez azt jelenti, hogy el kell távolítani az üveget színező vegyszereket, például a vasat, amely zöld árnyalatot eredményez. Sajnos, ahogy Bingham elmagyarázza, ez több UV-fényt enged át, tovább károsítva a polimert.
Bingham és munkatársai ezért a másik irányba indultak el – kémiailag adalékolták az üveget úgy, hogy az elnyeli a káros UV-fényt, de átlátszó legyen a hasznos infravörös és látható fény számára. A vas még mindig nem ideális adalékanyag, mivel elnyeli néhány látható és infravörös hullámhosszt, és ugyanez igaz más első sorba tartozó átmenetifémekre is, mint a króm és a kobalt.
Ehelyett Bingham csapata olyan második és harmadik sor átmeneti elemekkel kísérletezett, amelyeket általában nem adnának üveghez, mint például a nióbium, a tantál és a cirkónium, valamint más fémek, például bizmut és ón. Erős UV-elnyelést biztosítanak látható elszíneződés nélkül. A fedőüvegben használva ez meghosszabbítja a fotovoltaikus elemek élettartamát, és segít megőrizni a magasabb hatásfokot, így hosszabb ideig termelnek több áramot.
Az eljárásnak van egy másik előnye is. „Azt tapasztaltuk, hogy sok adalékanyag elnyeli az UV-fotonokat, elveszít egy kis energiát, majd látható fotonként újra kibocsátja őket, tehát alapvetően fluoreszcencia” – mondja Bingham. Hasznos fotonokat hoznak létre, amelyek elektromos energiává alakíthatók. Egy közelmúltbeli tanulmányban a kutatók kimutatták, hogy az ilyen üvegek akár 8%-kal is javíthatják a napelem modulok hatékonyságát a szabványos takaróüvegekhez képest.Prog. a fotovoltaikában 10.1002/pip.3334).
Csontok és egyéb szövetek rögzítése
1969-ben Larry Hench orvosbiológiai mérnök, a Floridai Egyetemről olyan anyagot keresett, amely képes kötődni a csonthoz anélkül, hogy az emberi test elutasítaná. Az Egyesült Államok Hadseregének Orvosi Kutatási és Tervezési Parancsnokságának javaslatán dolgozva Hench rájött, hogy szükség van egy olyan újszerű anyagra, amely élő kötést tud kialakítani a test szöveteivel, miközben nem utasítják el, ahogy az a fémeknél gyakran előfordul. és műanyag implantátumok. Végül szintetizálta a Bioglass 45S5-öt, a bioaktív üveg különleges összetételét, amely ma már a Floridai Egyetem védjegye.
A nátrium-oxid, kalcium-oxid, szilícium-dioxid és foszfor-pentoxid specifikus kombinációját, a bioaktív üveget ma ortopédiai kezelésként használják a sérült csontok helyreállítására és a csonthibák helyreállítására. „A bioaktív üveg egy olyan anyag, amelyet a testbe juttatunk, és az elkezd feloldódni, és ahogy ez történik, valójában arra utasítja a sejteket és a csontokat, hogy aktivizálódjanak, és új csontot termeljenek” – mondja. Julian Jones, az anyag szakértője, a londoni Imperial College-tól, az Egyesült Királyságból.
Jones elmagyarázza, hogy két fő oka van annak, hogy az üveg olyan jól működik. Először is, amikor feloldódik, egy hidroxi-karbonát-apatit felületi réteget képez, amely hasonló a csont ásványi anyagához. Ez azt jelenti, hogy kölcsönhatásba lép a csontokkal, és a test natív tárgynak tekinti, nem pedig idegen tárgynak. Másodszor, amikor feloldódik, az üveg ionokat szabadít fel, amelyek jelzik a sejteket, hogy új csontot termeljenek.
Klinikailag a bioaktív üveget főként porként használják, amelyet gittté formálnak, majd belenyomnak a csonthibába, de Jones és munkatársai 3D-nyomtatott állványszerű anyagokon dolgoznak nagyobb szerkezeti javítások érdekében. Ezek a bioaktív üveg és polimer szervetlen-szerves hibridjei, amelyeket pattogó bioüvegnek neveznek. A 3D-nyomtatott architektúra jó mechanikai tulajdonságokat biztosít, de olyan szerkezetet is, amely ösztönzi a sejtek megfelelő növekedését. Valójában Jones azt találta, hogy az állvány pórusméretének megváltoztatásával a csontvelői őssejtek akár csont, akár porc növekedésére ösztönözhetők. „Óriási sikereket értünk el a pattogó Bioglass porcokkal” – mondja Jones.
A bioaktív üveget a krónikus sebek, például a diabetikus fekélyek által okozott sebek regenerálására is használják. A kutatások kimutatták, hogy a vatta, mint az üvegkötszer, képes meggyógyítani azokat a sebeket, például a diabéteszes lábfekélyeket, amelyek más kezelésekre nem reagáltak (Int. Seb J. 19 791).
De Jones szerint a bioaktív üveget leggyakrabban néhány érzékeny fogkrémben használják, ahol elősegíti a fogak természetes mineralizációját. „Érzékenyek a fogai, mert vannak tubulusai, amelyek a fog közepén lévő idegüregbe mennek, így ha ezeket a tubulusokat mineralizálja, nincs út a pulpaüregbe” – magyarázza.
Tükröződésmentes, öntisztító és antibakteriális
A University College London kutatói nanoméretű struktúrákat martak az üveg felületébe, hogy többféle funkciót biztosítsanak neki. Korábban is próbálkoztak már hasonló technikákkal, de az üvegfelület elég finom részletezése nagy kihívásnak és bonyolultnak bizonyult. Nanomérnök Ioannis Papakonstantinou és munkatársai azonban a közelmúltban kifejlesztettek egy új litográfiai eljárást, amely lehetővé teszi számukra az üveg nanoméretű precíziós részletezését.Adv. Mater. 33 2102175).
Az optikai és akusztikus álcázáshoz hasonló szerkezeteket használó lepkék ihlette a kutatók az üvegfelületet hullámhossz alatti, nanoméretű kúpok sorával gravírozták, hogy csökkentsék annak tükrözőképességét. Azt találták, hogy ez a strukturált felület a fény kevesebb mint 3%-át, míg a kontrollüveg körülbelül 7%-át verte vissza. Papakonstantinou elmagyarázza, hogy a nanokúpok segítenek áthidalni az üvegfelület és a levegő törésmutatója közötti változásokat azáltal, hogy kisimítják az általában hirtelen levegő-üveg átmenetet. Ez csökkenti a szóródást és ezáltal a felületről visszaverődő fény mennyiségét.
A felület szuperhidrofób, taszítja a víz- és olajcseppeket, így azok visszaverődnek a nanostruktúrákban rekedt levegőpárnákról. Ahogy a cseppek legördülnek, felszívják a szennyeződéseket és szennyeződéseket, így az üveg öntisztul, ahogy Papakonstantinou elmagyarázza. Végső előnyként a baktériumok küzdenek a túlélésért az üvegen, miközben az éles kúpok átszúrják sejtmembránjaikat. Koncentrálva Staphylococcus aureus – a staph fertőzést okozó baktériumok – a pásztázó elektronmikroszkópos vizsgálat kimutatta, hogy a felületen megtelepedő baktériumok 80%-a elpusztul, szemben a normál üvegen lévő körülbelül 10%-kal. A kutatók szerint ez az első bemutató antibakteriális üvegfelületről.
A fény nem mechanikus vezérlése
Az optikai rendszerekben a fényt általában mozgó alkatrészek szabályozzák, például egy lencse, amely manipulálható a fény fókuszpontjának megváltoztatására vagy a fénysugár irányítására. A fázisváltó anyagok (PCM) új osztálya azonban mechanikai beavatkozás nélkül megváltoztathatja az optikai alkatrészek tulajdonságait.
A PCM átkapcsolhat a szervezett kristályszerkezetű és az amorf és az üvegszerű szerkezet között, ha valamilyen energiaformát, például elektromos áramot alkalmaznak. Az ilyen anyagokat régóta használják adatok tárolására optikai lemezeken, ahol a két fázis a két bináris állapotot képviseli. Ezeket az anyagokat azonban nem igazán használták az optikában az ilyen alkalmazásokon kívül, mert az egyik fázis általában átlátszatlan.
A közelmúltban azonban az Egyesült Államok kutatói létrehozták a PCM-ek új osztályát, amely a germánium, antimon, szelén és tellúr elemeken alapul, GSST néven.Nature Comms 10 4279). Felfedezték, hogy bár ezeknek az anyagoknak az üveges és kristályos állapota átlátszó az infravörös fény számára, törésmutatóik nagyon eltérőek. Ezt kihasználva olyan újrakonfigurálható optikát lehet létrehozni, amely képes vezérelni az infravörös fényt.
Juejun Hu, a Massachusetts Institute of Technology anyagtudósa azt mondja, hogy ahelyett, hogy egy optikai eszközzel rendelkezne egy alkalmazással, beprogramozhatja több különböző funkcióra. „Lencséről akár diffrakciós rácsra vagy prizmára is válthat” – magyarázza.
Hu szerint a PCM-ek tulajdonságai a legjobban az optikai metaanyagok létrehozásával hasznosíthatók, amelyek felületén nanoméretű, szubhullámhosszúságú struktúrákat alakítanak ki, és mindegyiket úgy hangolják, hogy meghatározott módon kölcsönhatásba lépjenek a fénnyel a kívánt hatás, például fókuszálás érdekében. egy fénysugár. Amikor elektromos áramot alkalmaznak az anyagra, a felületi nanostruktúrák és a fénnyel való kölcsönhatás módja megváltozik, ahogy az anyag állapota és törésmutatója megváltozik.
A csapat már bebizonyította, hogy képes olyan elemeket létrehozni, mint például a zoomobjektívek és az optikai redőnyök, amelyek gyorsan lekapcsolják a fénysugarat. Kathleen Richardson, a Közép-Floridai Egyetem optikai anyagok és fotonika szakértője, aki Hu-val együtt dolgozott a GSST anyagokon, azt mondja, hogy ezek az anyagok egyszerűsíthetik és csökkenthetik az érzékelők és más optikai eszközök méretét. Lehetővé teszik több optikai mechanizmus kombinálását, csökkentve az egyes alkatrészek számát, és szükségtelenné válnak a különféle mechanikai elemek. „Ugyanabban a komponensben több funkció is kisebbé, kompaktabbá és könnyebbé teszi a platformot” – magyarázza Richardson.
Halhatatlan üveg
„A fizika törvényeit meg lehet hajlítani, de megszegni nem” – mondja Paul Bingham, aki szemüvegre és kerámiára specializálódott a Sheffield Hallam Egyetemen (Egyesült Királyság). "Alapvetően az üveg törékeny anyag, és ha elég erőt fejt ki az üveg elég kis részére, akkor az eltörik." Ennek ellenére számos módon lehet javítani a teljesítményükön.
Fontolja meg a mobiltelefonokat. A legtöbb okostelefon képernyője kémiailag edzett üvegből készül, a leggyakoribb ez Gorilla Glass. A Corning által a 2000-es években kifejlesztett erős, karcálló, mégis vékony üveg ma már mintegy ötmilliárd okostelefonban, táblagépben és egyéb elektronikus eszközben megtalálható. De a kémiailag megerősített üveg nem teljesen törhetetlen. Valójában Bingham telefonjának képernyője elromlott. „Egyszer leejtettem, majd újra leejtettem, és pontosan ugyanarra a pontra esett, és ezzel véget ért a játék” – mondja.
Az üvegképernyők tartósságának további javítása érdekében Bingham a „Manufacturing Immortality” című projekten dolgozik a Northumbria Egyetem polimer tudósaival, vegyész vezetésével. Justin Perry, akik öngyógyító polimereket fejlesztettek ki. Ha ezeket az öngyógyító polimereket kettévágja, majd összenyomja a darabokat, idővel újra össze fognak kapcsolódni. A kutatók kísérleteztek az ilyen anyagokból készült bevonatok üvegre történő felvitelével.
Ha elegendő erőt alkalmaz, ezek a képernyők továbbra is eltörnek, de ha leejt egyet és megreped a polimer réteg, az öngyógyulhat. Ez környezeti, szobahőmérsékletű körülmények között fog megtörténni, bár a folyamatot felgyorsíthatja, ha egy kicsit felmelegítjük őket, például meleg helyen hagyva őket. „A termékek élettartamának növeléséről, fenntarthatóbbá és rugalmasabbá tételéről van szó” – mondja Bingham. És hasznos lehet számos olyan termék esetében, amelyek üveget használnak védőrétegként, nem csak okostelefonok esetében.
