Dalla riparazione delle ossa alla realizzazione di superfici antibatteriche, Michael Allen parla con i ricercatori che producono vetro con funzionalità e prestazioni aggiuntive
Il vetro è onnipresente nella vita di tutti i giorni. Essendo altamente trasparente, stabile e durevole, è un materiale importante per una miriade di applicazioni, dalle semplici finestre ai touch screen dei nostri ultimi gadget fino ai componenti fotonici per sensori hi-tech.
I bicchieri più comuni sono realizzati in silice, calce e soda. Ma da secoli al vetro vengono aggiunti ingredienti aggiuntivi per conferire proprietà come colore e resistenza al calore. E i ricercatori stanno ancora lavorando sul vetro, cercando di dargli ulteriori funzionalità e migliorarne le prestazioni per compiti specifici, creando vetri sempre più hi-tech e quello che potrebbe essere definito vetro “intelligente”.
I materiali intelligenti non sono facili da definire, ma in generale sono progettati per rispondere in modo specifico agli stimoli esterni. In termini di vetro, l’applicazione “intelligente” più ovvia è per le finestre, in particolare per il controllo della quantità di luce che passa attraverso il vetro. In questo modo possiamo aumentare l’efficienza energetica di qualsiasi edificio: riducendo il calore in estate, mantenendolo caldo nei climi più freddi.
Tensione della finestra
Il colore o l’opacità di alcuni vetri intelligenti possono essere modificati applicando una tensione al materiale, alterando così alcune proprietà ottiche – come assorbimento e riflettanza – in modo reversibile. Tali finestre intelligenti “elettrocromiche” possono controllare la trasmittanza di determinate frequenze della luce, come quella ultravioletta o infrarossa, su richiesta, o addirittura bloccarle del tutto. L'applicazione di questa tecnologia è popolare non solo negli edifici, ma anche nei display elettronici e nei finestrini oscurati delle auto.
In effetti, le finestre elettrocromiche sono all’avanguardia rispetto ad altre tecnologie in questo campo e sono già state commercializzate. Ma nonostante funzionino bene, presentano alcuni evidenti svantaggi. Sono piuttosto complessi e costosi e il loro adeguamento su edifici più vecchi richiede generalmente l’installazione di nuove finestre, infissi e collegamenti elettrici. Inoltre non sono automatici: è necessario accenderli e spegnerli.
Per risolvere alcuni di questi problemi, i ricercatori hanno lavorato su finestre termocromiche, che vengono attivate dai cambiamenti di temperatura anziché dalla tensione. Una grande attrazione è che sono passivi: una volta installati, le loro proprietà cambiano con la temperatura ambiente, senza bisogno di intervento umano. Il metodo dominante per creare tali finestre termocromiche è applicare un rivestimento di biossido di vanadio al vetro (Joule 10.1016 / j.joule.2018.06.018), ma possono essere utilizzati anche altri materiali come le perovskiti (J.App. Energia 254 113690). Questi materiali subiscono una transizione di fase, diventando più o meno trasparenti al variare della temperatura, un effetto che può essere regolato in base alle diverse condizioni.
Sebbene il biossido di vanadio sia molto promettente per le finestre intelligenti, ci sono ostacoli da superare. A causa del suo forte assorbimento, il biossido di vanadio produce una sgradevole tinta giallo-brunastra e sono necessari ulteriori studi sulla stabilità ambientale (Avv. Prod. 6 1). Una recente analisi suggerisce inoltre che, sebbene queste tecnologie possano fornire significativi risparmi energetici, sono necessarie ulteriori ricerche sul loro utilizzo e sul loro impatto nel mondo reale. Ad esempio, è stato riscontrato che la prestazione energetica delle finestre termocromiche varia molto tra le diverse città che utilizzano lo stesso tipo di pellicola, ma molto meno tra i diversi tipi di pellicola utilizzati nella stessa città (J.App. Energia 255 113522).
Ma il vetro hi-tech non si limita alle finestre intelligenti. I ricercatori hanno scoperto che se si aggiungono metalli più insoliti al vetro, si può contribuire a proteggere i pannelli solari e renderli più efficienti (vedi riquadro: Migliorare il vetro di copertura fotovoltaico). Il vetro bioattivo, nel frattempo, può aiutarci a far ricrescere ossa e altri tessuti (vedi riquadro: Fissazione di ossa e altri tessuti), mentre nuovi processi di incisione potrebbero permetterci di aggiungere molteplici funzioni al vetro senza la necessità di rivestimenti superficiali (vedi riquadro: Antiriflesso , autopulente e antibatterico). E sebbene non siano i tradizionali vetri ottici, i nuovi materiali a cambiamento di fase potrebbero aiutare a creare sistemi ottici più leggeri e compatti (vedi riquadro: Controllo non meccanico della luce). Infine, il vetro potrebbe un giorno riuscire addirittura a guarire se stesso (vedi riquadro: Vetro immortale).
Miglioramento del vetro di copertura fotovoltaico
Potrebbe sembrare sorprendente, ma non tutta la luce solare fa bene alle celle solari. Mentre le unità fotovoltaiche convertono la luce infrarossa e visibile in energia elettrica, la luce ultravioletta (UV) le danneggia. Proprio come nel caso di una scottatura solare, la luce UV ha un impatto negativo sui polimeri a base di carbonio utilizzati nelle celle fotovoltaiche organiche. I ricercatori hanno scoperto che il danno causato dalla luce UV rende lo strato semiconduttore organico più resistente elettricamente, riducendo il flusso di corrente e l'efficienza complessiva della cella.
Questo problema non è limitato alle cellule organiche. La luce UV ostacola anche il più comune fotovoltaico a base di silicio, che consiste in una pila di materiali diversi. Lo strato fotoattivo a base di silicio è inserito tra polimeri che lo proteggono dall'ingresso di acqua, e questa unità è poi sormontata da una copertura in vetro, che la protegge ulteriormente dagli elementi consentendo al tempo stesso il passaggio della luce solare. Il problema con la luce UV è che danneggia i polimeri, permettendo all’acqua di penetrare e corrodere gli elettrodi.
Paolo Bingham, esperto di vetro presso l'Università di Sheffield Hallam, nel Regno Unito, spiega che per migliorare l'efficienza dei pannelli solari "la direzione prevalente negli ultimi decenni è stata quella di rendere il vetro sempre più chiaro". Ciò significa rimuovere le sostanze chimiche che colorano il vetro, come il ferro, che produce una tinta verde. Sfortunatamente, come spiega Bingham, questo lascia passare più luce UV, danneggiando ulteriormente il polimero.
Bingham e i suoi colleghi sono quindi andati nella direzione opposta: hanno drogato chimicamente il vetro in modo tale da assorbire la luce UV dannosa ma essere trasparente alla luce infrarossa e visibile. Il ferro non è ancora un additivo ideale, poiché assorbe alcune lunghezze d’onda visibili e infrarosse, e lo stesso vale per altri metalli di transizione di prima fila come cromo e cobalto.
Invece, il team di Bingham ha sperimentato elementi di transizione della seconda e terza fila che normalmente non verrebbero aggiunti al vetro, come niobio, tantalio e zirconio, insieme ad altri metalli come bismuto e stagno. Questi creano un forte assorbimento UV senza alcuna colorazione visibile. Se utilizzato nel vetro di copertura, prolunga la durata di vita degli impianti fotovoltaici e li aiuta a mantenere un'efficienza più elevata, in modo da generare più elettricità più a lungo.
Il processo ha anche un altro vantaggio. "Quello che abbiamo scoperto è che molti droganti assorbono i fotoni UV, perdono un po' di energia e poi li riemettono come fotoni visibili, quindi fondamentalmente fluorescenza", dice Bingham. Creano fotoni utili che possono essere convertiti in energia elettrica. In uno studio recente, i ricercatori hanno dimostrato che tali vetri possono migliorare l’efficienza dei moduli solari fino a circa l’8%, rispetto al vetro di copertura standard (Progr. nel Fotovoltaico 10.1002/pip.3334).
Fissazione di ossa e altri tessuti
Nel 1969 l'ingegnere biomedico Larry Hench, dell'Università della Florida, era alla ricerca di un materiale che potesse legarsi alle ossa senza essere respinto dal corpo umano. Mentre lavorava su una proposta per il Comando di ricerca e progettazione medica dell'esercito americano, Hench si rese conto che c'era bisogno di un nuovo materiale che potesse formare un legame vivente con i tessuti del corpo, senza essere rifiutato, come spesso accade con il metallo. e impianti di plastica. Alla fine ha sintetizzato Bioglass 45S5, una particolare composizione di vetro bioattivo che ora è registrato dall'Università della Florida.
Una combinazione specifica di ossido di sodio, ossido di calcio, biossido di silicio e pentossido di fosforo, il vetro bioattivo è ora utilizzato come trattamento ortopedico per ripristinare l'osso danneggiato e riparare i difetti ossei. "Il vetro bioattivo è un materiale che inserisci nel corpo e inizia a dissolversi, e così facendo dice alle cellule e alle ossa di diventare più attive e produrre nuovo osso", afferma Giuliano Jones, un esperto del materiale, dell'Imperial College di Londra, Regno Unito.
Jones spiega che ci sono due ragioni principali per cui il vetro funziona così bene. Innanzitutto, quando si dissolve forma uno strato superficiale di apatite idrossicarbonato, che è simile al minerale presente nelle ossa. Ciò significa che interagisce con l'osso e il corpo lo vede come un oggetto nativo, piuttosto che estraneo. In secondo luogo, quando si dissolve, il vetro rilascia ioni che segnalano alle cellule di produrre nuovo osso.
Clinicamente, il vetro bioattivo viene utilizzato principalmente come polvere che viene formata in uno stucco e poi spinta nel difetto osseo, ma Jones e i suoi colleghi hanno lavorato su materiali simili a impalcature stampati in 3D per riparazioni strutturali più ampie. Si tratta di ibridi inorganici-organici di vetro bioattivo e polimero che chiamano Bioglass rimbalzante. L’architettura stampata in 3D fornisce buone proprietà meccaniche, ma anche una struttura che incoraggia le cellule a crescere nel modo giusto. Infatti, Jones ha scoperto che modificando la dimensione dei pori dell’impalcatura, le cellule staminali del midollo osseo possono essere incoraggiate a far crescere l’osso o la cartilagine. "Abbiamo ottenuto enormi successi con la cartilagine rimbalzante Bioglass", afferma Jones.
Il vetro bioattivo viene utilizzato anche per rigenerare ferite croniche, come quelle causate dalle ulcere diabetiche. La ricerca ha dimostrato che le medicazioni simili al cotone idrofilo possono guarire ferite, come le ulcere del piede diabetico, che non hanno risposto ad altri trattamenti (interno Ferita J. 19 791).
Ma Jones afferma che l’uso più comune del vetro bioattivo è in alcuni dentifrici sensibili, dove favorisce la naturale mineralizzazione dei denti. "I tuoi denti sono sensibili perché hai tubuli che entrano nella cavità nervosa al centro del dente, quindi se mineralizzi quei tubuli non c'è modo di entrare nella cavità pulpare", spiega.
Antiriflesso, autopulente e antibatterico
Presso l'University College di Londra, i ricercatori hanno inciso strutture su scala nanometrica sulla superficie del vetro per conferirgli molteplici funzioni diverse. Tecniche simili sono state provate in passato, ma si è rivelato impegnativo e complicato strutturare la superficie del vetro con dettagli sufficientemente precisi. Nanoingegnere Ioannis Papakonstantinou e i suoi colleghi, tuttavia, hanno recentemente sviluppato un nuovo processo di litografia che consente loro di dettagliare il vetro con precisione su scala nanometrica (Adv. Madre. 33 2102175).
Ispirati dalle falene che utilizzano strutture simili per il mimetismo ottico e acustico, i ricercatori hanno inciso una superficie di vetro con una serie di coni su nanoscala sub-lunghezza d'onda per ridurne la riflettività. Hanno scoperto che questa superficie strutturata rifletteva meno del 3% della luce, mentre un vetro di controllo rifletteva circa il 7%. Papakonstantinou spiega che i nanoconi aiutano a colmare i cambiamenti tra l’indice di rifrazione della superficie del vetro e quello dell’aria, attenuando la transizione aria-vetro, solitamente brusca. Ciò riduce la dispersione e quindi la quantità di luce riflessa dalla superficie.
La superficie è anche superidrofobica, respingendo le goccioline d'acqua e di oli in modo che rimbalzino sui cuscini d'aria intrappolati nelle nanostrutture. Mentre le goccioline scivolano via, raccolgono contaminanti e sporco, rendendo il vetro autopulente, come spiega Papakonstantinou. E come vantaggio finale, i batteri lottano per sopravvivere sul vetro, a causa dei coni affilati che perforano le loro membrane cellulari. Concentrandosi su Staphylococcus aureus – i batteri che causano infezioni da stafilococco – la microscopia elettronica a scansione ha dimostrato che l’80% dei batteri che si depositano sulla superficie muore, rispetto a circa il 10% del vetro standard. Secondo i ricercatori, questa è la prima dimostrazione di una superficie di vetro antibatterica.
Controllo non meccanico della luce
La luce è generalmente controllata nei sistemi ottici da parti mobili, come una lente che può essere manipolata per modificare il punto focale della luce o orientare un raggio. Ma una nuova classe di materiali a cambiamento di fase (PCM) potrebbe modificare le proprietà dei componenti ottici senza alcun intervento meccanico.
Un PCM può passare dall'avere una struttura cristallina organizzata all'essere amorfo e simile al vetro quando viene applicata una qualche forma di energia, come una corrente elettrica. Tali materiali sono stati a lungo utilizzati per archiviare dati su dischi ottici, con le due fasi che rappresentano i due stati binari. Ma questi materiali non sono stati utilizzati in ottica al di là di tali applicazioni, perché una delle fasi è normalmente opaca.
Recentemente, tuttavia, ricercatori negli Stati Uniti hanno creato una nuova classe di PCM basata sugli elementi germanio, antimonio, selenio e tellurio, nota come GSST (Comunicazioni sulla natura 10 4279). Hanno scoperto che, sebbene sia lo stato vetroso che quello cristallino di questi materiali siano trasparenti alla luce infrarossa, hanno indici di rifrazione molto diversi. Questo può essere sfruttato per creare ottiche riconfigurabili in grado di controllare la luce infrarossa.
Juejun Hu, scienziato dei materiali presso il Massachusetts Institute of Technology, afferma che invece di avere un dispositivo ottico con una sola applicazione, è possibile programmarlo per avere diverse funzioni. "Si potrebbe anche passare da una lente a un reticolo di diffrazione o a un prisma", spiega.
Le proprietà dei PCM vengono sfruttate al meglio, dice Hu, creando metamateriali ottici, in cui strutture su scala nanometrica e sub-lunghezza d'onda sono modellate sulla superficie e ciascuna è sintonizzata per interagire con la luce in un modo specifico per creare l'effetto desiderato, come la messa a fuoco un raggio di luce. Quando una corrente elettrica viene applicata al materiale, il modo in cui le nanostrutture superficiali interagiscono con la luce cambia man mano che lo stato del materiale e l'indice di rifrazione cambiano.
Il team ha già dimostrato di poter creare elementi come obiettivi zoom e otturatori ottici in grado di spegnere rapidamente un raggio di luce. Kathleen Richardson, esperto di materiali ottici e fotonica presso l'Università della Florida Centrale, che ha lavorato con Hu sui materiali GSST, afferma che questi materiali potrebbero semplificare e ridurre le dimensioni dei sensori e di altri dispositivi ottici. Consentirebbero di combinare più meccanismi ottici, riducendo il numero di singole parti ed eliminando la necessità di vari elementi meccanici. "Più funzioni nello stesso componente rendono la piattaforma più piccola, più compatta e più leggera", spiega Richardson.
Vetro immortale
"Puoi piegare le leggi della fisica, ma non puoi infrangerle", afferma Paul Bingham, specializzato in vetri e ceramica presso la Sheffield Hallam University, nel Regno Unito. "Fondamentalmente, il vetro è un materiale fragile e se si applica una forza sufficiente su una parte abbastanza piccola del vetro, si romperà." Tuttavia, ci sono vari modi per migliorare le loro prestazioni.
Consideriamo i telefoni cellulari. La maggior parte degli schermi degli smartphone sono realizzati in vetro temperato chimicamente, il più comune è quello Gorilla Glass. Sviluppato da Corning negli anni 2000, questo vetro resistente, resistente ai graffi ma sottile può ora essere trovato in circa cinque miliardi di smartphone, tablet e altri dispositivi elettronici. Ma il vetro rinforzato chimicamente non è completamente infrangibile. In effetti, lo schermo del telefono di Bingham è rotto. "L'ho lasciato cadere una volta, poi l'ho lasciato cadere di nuovo ed è atterrato esattamente nello stesso punto e il gioco è finito", dice.
Per migliorare ulteriormente la durabilità degli schermi in vetro, Bingham ha lavorato a un progetto intitolato “Manufacturing Immortality” con scienziati dei polimeri della Northumbria University, guidati dal chimico Justin Perri, che hanno sviluppato polimeri autoriparanti. Se si tagliano a metà questi polimeri autoriparanti e poi si uniscono i pezzi, col tempo si riuniranno di nuovo insieme. I ricercatori hanno sperimentato l'applicazione di rivestimenti di tali materiali al vetro.
Se applichi abbastanza forza, questi schermi si romperanno comunque, ma se ne lasciassi cadere uno e rompessi lo strato polimerico, potrebbe autoripararsi. Ciò avverrà in condizioni di temperatura ambiente, anche se riscaldarli un po', lasciandoli in un posto caldo, ad esempio, potrebbe accelerare il processo. "Si tratta di migliorare la durata dei prodotti, renderli più sostenibili e più resilienti", afferma Bingham. E potrebbe essere utile per molti prodotti che utilizzano il vetro come strato protettivo, non solo per gli smartphone.
