Dari memperbaiki tulang hingga membuat permukaan antibakteri, Michael Allen berbicara dengan para peneliti yang membuat kaca yang memiliki fungsionalitas dan kinerja tambahan
Kaca ada di mana-mana dalam kehidupan sehari-hari. Menjadi sangat transparan, stabil, dan tahan lama, ini merupakan bahan penting untuk berbagai aplikasi, mulai dari jendela sederhana hingga layar sentuh pada gadget terbaru kami hingga komponen fotonik untuk sensor berteknologi tinggi.
Kacamata yang paling umum terbuat dari silika, kapur dan soda. Tapi selama berabad-abad bahan tambahan telah ditambahkan ke kaca untuk memberikan sifat seperti warna dan tahan panas. Dan para peneliti masih bekerja pada kaca, berusaha memberikan fungsionalitas lebih lanjut dan meningkatkan kinerjanya untuk tugas-tugas tertentu, menciptakan kaca yang semakin canggih dan apa yang dapat disebut sebagai kaca "pintar".
Materi cerdas tidak mudah didefinisikan, tetapi secara luas dirancang untuk merespons rangsangan eksternal dengan cara tertentu. Dalam hal kaca, aplikasi "pintar" yang paling jelas adalah untuk jendela – khususnya, mengontrol jumlah cahaya yang melewati kaca. Dengan begitu, kita dapat meningkatkan efisiensi energi bangunan apa pun: mengurangi panas di musim panas, sekaligus menjaganya tetap hangat di cuaca yang lebih dingin.
Tegangan jendela
Warna atau opacity dari beberapa kaca pintar dapat diubah dengan menerapkan tegangan ke material, sehingga mengubah sifat optik tertentu – seperti penyerapan dan reflektansi – dengan cara yang reversibel. Jendela pintar "elektrokromik" semacam itu dapat mengontrol transmisi frekuensi cahaya tertentu, seperti ultraviolet atau inframerah, sesuai permintaan, atau bahkan memblokirnya sama sekali. Penerapan teknologi ini populer tidak hanya di gedung-gedung, tetapi juga di layar elektronik dan jendela mobil berwarna.
Memang, jendela elektrokromik berada di depan teknologi lain di bidang ini, dan telah dikomersialkan. Tetapi meskipun bekerja dengan baik, mereka memiliki beberapa kelemahan yang jelas. Mereka cukup rumit dan mahal, dan untuk memasangnya kembali ke bangunan lama biasanya memerlukan pemasangan jendela baru, bingkai jendela, dan sambungan listrik. Mereka juga tidak otomatis – Anda harus mengaktifkan dan menonaktifkannya.
Untuk mengatasi beberapa masalah ini, para peneliti telah bekerja pada jendela termokromik, yang dipicu oleh perubahan suhu, bukan tegangan. Salah satu daya tarik besar adalah bahwa mereka pasif – setelah dipasang, sifat mereka berubah dengan suhu lingkungan, tanpa perlu masukan manusia. Metode dominan untuk membuat jendela termokromik seperti itu adalah menerapkan lapisan vanadium dioksida ke kaca (Joule 10.1016 / j.joule.2018.06.018), tetapi bahan lain seperti perovskit juga dapat digunakan (J. Aplikasi. Energi 254 113690). Bahan-bahan ini mengalami transisi fase, menjadi lebih atau kurang transparan karena perubahan suhu, efek yang dapat disetel untuk kondisi yang berbeda.
Sementara vanadium dioksida menunjukkan banyak harapan untuk jendela pintar, ada kendala yang harus diatasi. Karena penyerapannya yang kuat, vanadium dioksida menghasilkan warna kuning kecoklatan yang tidak menyenangkan dan pekerjaan lebih lanjut diperlukan untuk stabilitas lingkungan (Adv. manuf. 6 1). Tinjauan baru-baru ini juga menunjukkan bahwa meskipun teknologi ini dapat memberikan penghematan energi yang signifikan, penelitian lebih lanjut diperlukan tentang penggunaan dan dampaknya dalam pengaturan dunia nyata. Misalnya, kinerja energi jendela termokromik telah ditemukan sangat bervariasi antara kota yang berbeda menggunakan jenis film yang sama, tetapi jauh lebih sedikit antara jenis film yang berbeda yang digunakan di kota yang sama (J. Aplikasi. Energi 255 113522).
Tapi kaca hi-tech tidak berakhir dengan jendela pintar. Para peneliti telah menemukan bahwa jika mereka menambahkan lebih banyak logam yang tidak biasa ke kaca, ini dapat membantu melindungi panel surya dan membuatnya lebih efisien (lihat kotak: Meningkatkan kaca penutup fotovoltaik). Kaca bioaktif, sementara itu, dapat membantu kita menumbuhkan kembali tulang dan jaringan lain (lihat kotak: Memperbaiki tulang dan jaringan lain), sementara proses etsa baru memungkinkan kita menambahkan beberapa fungsi ke kaca tanpa memerlukan pelapis permukaan (lihat kotak: Anti-reflektif , membersihkan diri dan antibakteri). Dan meskipun bukan kacamata optik tradisional, bahan pengubah fase baru dapat membantu menciptakan sistem optik yang lebih ringan dan lebih ringkas (lihat kotak: Kontrol cahaya non-mekanis). Akhirnya, kaca mungkin suatu hari bisa menyembuhkan dirinya sendiri (lihat kotak: Kaca abadi).
Meningkatkan kaca penutup fotovoltaik
Ini mungkin tampak mengejutkan, tetapi tidak semua sinar matahari baik untuk sel surya. Sementara unit fotovoltaik mengubah cahaya inframerah dan cahaya tampak menjadi energi listrik, sinar ultraviolet (UV) merusaknya. Sama seperti kasus terbakar sinar matahari, sinar UV berdampak negatif pada polimer berbasis karbon yang digunakan dalam sel fotovoltaik organik. Para peneliti telah menemukan bahwa kerusakan dari sinar UV membuat lapisan semikonduktor organik lebih tahan listrik, mengurangi aliran arus dan efisiensi sel secara keseluruhan.
Masalah ini tidak terbatas pada sel organik. Sinar UV juga menghambat fotovoltaik berbasis silikon yang lebih umum, yang terdiri dari tumpukan bahan yang berbeda. Lapisan fotoaktif berbasis silikon diapit di antara polimer yang melindunginya dari masuknya air, dan unit ini kemudian ditutup dengan penutup kaca, yang selanjutnya melindunginya dari elemen sambil membiarkan sinar matahari masuk. Masalah dengan sinar UV adalah bahwa hal itu merusak polimer, memungkinkan air untuk menembus dan menimbulkan korosi pada elektroda.
Paul Bingham, seorang ahli kaca di Universitas Sheffield Hallam, Inggris, menjelaskan bahwa untuk meningkatkan efisiensi panel surya “arah utama perjalanan dalam beberapa dekade terakhir adalah membuat kaca semakin jernih”. Ini berarti menghilangkan bahan kimia yang mewarnai kaca, seperti besi, yang menghasilkan warna hijau. Sayangnya, seperti yang dijelaskan Bingham, ini memungkinkan lebih banyak sinar UV masuk, merusak polimer lebih jauh.
Oleh karena itu, Bingham dan rekan-rekannya telah pergi ke arah lain – mereka telah melakukan doping kimia pada kaca sedemikian rupa sehingga menyerap sinar UV yang merusak tetapi transparan terhadap sinar inframerah dan sinar tampak yang berguna. Besi masih bukan aditif yang ideal, karena menyerap beberapa panjang gelombang tampak dan inframerah, dan hal yang sama berlaku untuk logam transisi baris pertama lainnya seperti kromium dan kobalt.
Sebaliknya, tim Bingham telah bereksperimen dengan elemen transisi baris kedua dan ketiga yang biasanya tidak ditambahkan ke kaca, seperti niobium, tantalum dan zirkonium, bersama dengan logam lain seperti bismut dan timah. Ini menciptakan penyerapan UV yang kuat tanpa pewarnaan yang terlihat. Saat digunakan di kaca penutup, ini memperpanjang masa pakai fotovoltaik dan membantunya mempertahankan efisiensi yang lebih tinggi, sehingga menghasilkan lebih banyak listrik lebih lama.
Proses ini juga memiliki manfaat lain. “Apa yang kami temukan adalah bahwa banyak dopan menyerap foton UV, kehilangan sedikit energi dan kemudian memancarkannya kembali sebagai foton yang terlihat, jadi pada dasarnya berfluoresensi,” kata Bingham. Mereka menciptakan foton berguna yang dapat diubah menjadi energi listrik. Dalam studi baru-baru ini, para peneliti menunjukkan bahwa kacamata tersebut dapat meningkatkan efisiensi modul surya hingga sekitar 8%, dibandingkan dengan kaca penutup standar (Prog. dalam fotovoltaik 10.1002/pip.3334).
Memperbaiki tulang dan jaringan lainnya
Pada tahun 1969 insinyur biomedis Larry Hench, dari University of Florida, sedang mencari bahan yang dapat mengikat tulang tanpa ditolak oleh tubuh manusia. Saat mengerjakan proposal untuk Komando Penelitian dan Desain Medis Angkatan Darat AS, Hench menyadari bahwa ada kebutuhan akan bahan baru yang dapat membentuk ikatan hidup dengan jaringan di dalam tubuh, sementara tidak ditolak, seperti yang sering terjadi pada logam. dan implan plastik. Dia akhirnya mensintesis Bioglass 45S5, komposisi tertentu dari kaca bioaktif yang sekarang menjadi merek dagang oleh University of Florida.
Kombinasi spesifik dari natrium oksida, kalsium oksida, silikon dioksida dan fosfor pentoksida, kaca bioaktif sekarang digunakan sebagai perawatan ortopedi untuk memulihkan tulang yang rusak dan memperbaiki cacat tulang. "Kaca bioaktif adalah bahan yang Anda masukkan ke dalam tubuh dan mulai larut, dan seperti itu sebenarnya memberitahu sel dan tulang untuk menjadi lebih aktif dan menghasilkan tulang baru," kata Julian Jones, seorang ahli materi, dari Imperial College London, Inggris.
Jones menjelaskan bahwa ada dua alasan utama kaca bekerja dengan sangat baik. Pertama, saat larut membentuk lapisan permukaan apatit hidroksikarbonat, yang mirip dengan mineral dalam tulang. Ini berarti ia berinteraksi dengan tulang dan tubuh melihatnya sebagai benda asli, bukan benda asing. Kedua, saat larut, kaca melepaskan ion yang memberi sinyal pada sel untuk menghasilkan tulang baru.
Secara klinis, kaca bioaktif terutama digunakan sebagai bubuk yang dibentuk menjadi dempul dan kemudian didorong ke dalam cacat tulang, tetapi Jones dan rekan-rekannya telah mengerjakan bahan seperti perancah cetak 3D untuk perbaikan struktural yang lebih besar. Ini adalah hibrida anorganik-organik dari kaca bioaktif dan polimer yang mereka sebut sebagai Bioglass goyang. Arsitektur cetak 3D memberikan sifat mekanik yang baik, tetapi juga struktur yang mendorong sel untuk tumbuh dengan cara yang benar. Faktanya, Jones telah menemukan bahwa dengan mengubah ukuran pori perancah, sel induk sumsum tulang dapat didorong untuk tumbuh baik tulang atau tulang rawan. “Kami telah meraih banyak kesuksesan dengan tulang rawan Bioglass yang melenting,” kata Jones.
Kaca bioaktif juga digunakan untuk meregenerasi luka kronis, seperti yang disebabkan oleh ulkus diabetik. Penelitian telah menunjukkan bahwa kapas seperti pembalut kaca dapat menyembuhkan luka, seperti ulkus kaki diabetik, yang tidak merespon pengobatan lain (Int. luka J 19 791).
Tetapi Jones mengatakan penggunaan kaca bioaktif yang paling umum adalah pada beberapa pasta gigi sensitif, di mana ia mendorong mineralisasi alami gigi. “Anda memiliki gigi sensitif karena Anda memiliki tubulus yang masuk ke rongga saraf di tengah gigi, jadi jika Anda memineralisasi tubulus itu, tidak ada jalan masuk ke rongga pulpa,” jelasnya.
Anti-reflektif, membersihkan diri dan antibakteri
Di University College London, para peneliti telah mengetsa struktur berskala nano ke permukaan kaca untuk memberikan beberapa fungsi berbeda. Teknik serupa telah dicoba di masa lalu, tetapi terbukti menantang dan rumit untuk menyusun permukaan kaca dengan detail yang cukup halus. Nanoengineer Ioannis Papakonstantinou dan rekan-rekannya, bagaimanapun, baru-baru ini mengembangkan proses litografi baru yang memungkinkan mereka untuk merinci kaca dengan presisi skala nano (Adv. ibu. 33 2102175).
Terinspirasi oleh ngengat yang menggunakan struktur serupa untuk kamuflase optik dan akustik, para peneliti mengukir permukaan kaca dengan susunan sub-panjang gelombang, kerucut skala nano untuk mengurangi daya pantulnya. Mereka menemukan bahwa permukaan terstruktur ini memantulkan kurang dari 3% cahaya, sedangkan kaca kontrol memantulkan sekitar 7%. Papakonstantinou menjelaskan bahwa nanocones membantu menjembatani perubahan antara indeks bias permukaan kaca dan udara, dengan menghaluskan transisi udara-ke-kaca yang biasanya tiba-tiba. Ini mengurangi hamburan dan oleh karena itu jumlah cahaya yang dipantulkan dari permukaan.
Permukaannya juga superhydrophobic, menolak tetesan air dan minyak sehingga memantul dari bantalan udara yang terperangkap dalam struktur nano. Saat tetesan berguling, mereka mengambil kontaminan dan kotoran, membuat kaca membersihkan sendiri, seperti yang dijelaskan Papakonstantinou. Dan sebagai manfaat terakhir, bakteri berjuang untuk bertahan hidup di kaca, dengan kerucut tajam menembus membran sel mereka. Berfokus pada Staphylococcus aureus – bakteri yang menyebabkan infeksi staph – pemindaian mikroskop elektron telah menunjukkan bahwa 80% bakteri yang menetap di permukaan mati, dibandingkan dengan sekitar 10% pada kaca standar. Menurut para peneliti, ini adalah demonstrasi pertama dari permukaan kaca antibakteri.
Kontrol cahaya non-mekanis
Cahaya umumnya dikendalikan dalam sistem optik dengan menggerakkan bagian, seperti lensa yang dapat dimanipulasi untuk mengubah titik fokus cahaya atau mengarahkan sinar. Tetapi kelas baru bahan pengubah fase (PCM) dapat mengubah sifat komponen optik tanpa intervensi mekanis.
PCM dapat beralih antara memiliki struktur kristal terorganisir menjadi amorf dan seperti kaca ketika beberapa bentuk energi, seperti arus listrik, diterapkan. Bahan tersebut telah lama digunakan untuk menyimpan data pada cakram optik, dengan dua fase mewakili dua keadaan biner. Tapi bahan ini belum benar-benar digunakan dalam optik di luar aplikasi tersebut, karena salah satu fase biasanya buram.
Namun, baru-baru ini, para peneliti di AS telah menciptakan kelas baru PCM berdasarkan unsur germanium, antimon, selenium dan telurium, yang dikenal sebagai GSST (Komunikasi Alam 10 4279). Mereka menemukan bahwa sementara keadaan kaca dan kristal dari bahan-bahan ini transparan terhadap cahaya inframerah, mereka memiliki indeks bias yang sangat berbeda. Ini dapat dimanfaatkan untuk membuat optik yang dapat dikonfigurasi ulang yang dapat mengontrol cahaya inframerah.
Juejun Hu, seorang ilmuwan material di Massachusetts Institute of Technology, mengatakan bahwa alih-alih memiliki perangkat optik dengan satu aplikasi, Anda dapat memprogramnya untuk memiliki beberapa fungsi berbeda. “Anda bahkan dapat beralih dari lensa ke kisi difraksi atau prisma,” jelasnya.
Sifat-sifat PCM paling baik digunakan, kata Hu, dengan menciptakan metamaterial optik, di mana struktur nano, sub-panjang gelombang dibuat di permukaan dan masing-masing disetel untuk berinteraksi dengan cahaya dengan cara tertentu untuk menciptakan efek yang diinginkan, seperti pemfokusan. seberkas cahaya. Ketika arus listrik diterapkan pada material, cara struktur nano permukaan berinteraksi dengan cahaya berubah saat status material dan indeks bias beralih.
Tim telah menunjukkan bahwa itu dapat membuat elemen seperti lensa zoom dan penutup optik yang dapat dengan cepat mematikan seberkas cahaya. Kathleen Richardson, seorang ahli bahan optik dan fotonik di University of Central Florida, yang bekerja dengan Hu pada bahan GSST, mengatakan bahwa bahan ini dapat menyederhanakan dan mengurangi ukuran sensor dan perangkat optik lainnya. Mereka akan memungkinkan beberapa mekanisme optik untuk digabungkan, mengurangi jumlah bagian individu, dan menghilangkan kebutuhan akan berbagai elemen mekanis. “Beberapa fungsi dalam komponen yang sama membuat platform lebih kecil, lebih ringkas, dan bobotnya lebih ringan,” jelas Richardson.
Kaca abadi
“Anda dapat membengkokkan hukum fisika, tetapi Anda tidak dapat melanggarnya,” kata Paul Bingham, ahli gelas dan keramik di Universitas Sheffield Hallam, Inggris. "Pada dasarnya, kaca adalah bahan yang rapuh dan jika Anda menerapkan kekuatan yang cukup pada bagian yang cukup kecil dari kaca maka itu akan pecah." Namun, ada berbagai cara agar kinerja mereka dapat ditingkatkan.
Pertimbangkan ponsel. Sebagian besar layar ponsel cerdas terbuat dari kaca yang dikeraskan secara kimia, dengan yang paling umum Gorilla Glass. Dikembangkan oleh Corning pada tahun 2000-an, kaca yang kuat, tahan gores namun tipis ini sekarang dapat ditemukan di sekitar lima miliar smartphone, tablet, dan perangkat elektronik lainnya. Tapi kaca yang diperkuat secara kimia tidak sepenuhnya bisa dipecahkan. Bahkan, layar ponsel Bingham rusak. “Saya menjatuhkannya sekali dan kemudian saya menjatuhkannya lagi dan itu mendarat di titik yang sama persis dan itu selesai,” katanya.
Untuk meningkatkan daya tahan layar kaca lebih lanjut, Bingham telah mengerjakan proyek berjudul "Manufaktur Keabadian" dengan ilmuwan polimer di Universitas Northumbria, yang dipimpin oleh ahli kimia. Justin Perry, yang telah mengembangkan polimer penyembuhan diri. Jika Anda memotong polimer penyembuhan diri ini menjadi dua dan kemudian menyatukannya, mereka akan, pada waktunya, bergabung kembali. Para peneliti telah bereksperimen dengan menerapkan pelapis bahan tersebut ke kaca.
Jika Anda menerapkan kekuatan yang cukup, layar ini masih akan pecah, tetapi jika Anda menjatuhkannya dan memecahkan lapisan polimer, itu bisa sembuh sendiri. Ini akan terjadi di bawah kondisi suhu kamar sekitar, meskipun memanaskannya sedikit, dengan membiarkannya di tempat yang hangat misalnya, dapat mempercepat prosesnya. “Ini tentang meningkatkan masa pakai produk, membuatnya lebih berkelanjutan, dan membuatnya lebih tangguh,” kata Bingham. Dan itu bisa berguna untuk banyak produk yang menggunakan kaca sebagai lapisan pelindung, bukan hanya smartphone.
