「スマート」ガラスへの新しい窓

太陽光発電用カバーガラスの改良

意外に思われるかもしれませんが、すべての太陽光が太陽電池に適しているわけではありません。 太陽光発電ユニットは赤外線と可視光を電気エネルギーに変換しますが、紫外線 (UV) 光はそれらを損傷します。 日焼けの場合と同様に、紫外線は有機太陽電池で使用される炭素系ポリマーに悪影響を及ぼします。 研究者は、紫外線による損傷が有機半導体層の電気抵抗を高め、電流の流れとセルの全体的な効率を低下させることを発見しました。

この問題は有機細胞に限定されません。 紫外線はまた、さまざまな材料のスタックで構成される、より一般的なシリコンベースの太陽光発電の妨げにもなります。 シリコンベースの光活性層は、水の浸入から保護するポリマーの間に挟まれており、このユニットはガラスカバーで覆われています。 紫外線の問題は、ポリマーに損傷を与え、水が浸透して電極を腐食させることです。

ポール・ビンガム英国のシェフィールド・ハラム大学のガラスの専門家である は、ソーラーパネルの効率を改善するために、「過去数十年間の最も重要な方向は、ガラスをますます透明にすることでした」と説明しています。 これは、緑色の色合いを生成する鉄など、ガラスを着色する化学物質を除去することを意味します。 残念なことに、Bingham が説明するように、これはより多くの UV 光を通過させ、ポリマーをさらに損傷させます。

したがって、Bingham と彼の同僚は別の方向に進んでいます。彼らはガラスを化学的にドーピングして、有害な UV 光を吸収し、有用な赤外線と可視光を透過するようにしました。 鉄はまだ理想的な添加物ではありません。可視光と赤外線の波長を吸収するからです。クロムやコバルトなどの他の第一列遷移金属についても同じことが言えます。

代わりに、ビンガムのチームは、ビスマスやスズなどの他の金属とともに、ニオブ、タンタル、ジルコニウムなど、通常はガラスに追加されない XNUMX 列目と XNUMX 列目の遷移元素を実験してきました。 これらは、目に見える着色なしに強力な紫外線吸収を生み出します。 カバーガラスに使用すると、太陽光発電の寿命が延び、より高い効率を維持できるため、より多くの電力をより長く生成できます。

このプロセスには、別の利点もあります。 「私たちが発見したことは、ドーパントの多くが UV 光子を吸収し、わずかなエネルギーを失い、可視光子として再放出することです。基本的には蛍光です」と Bingham 氏は言います。 電気エネルギーに変換できる有用な光子を生成します。 最近の研究で、研究者は、そのようなガラスが標準的なカバーガラスと比較して、太陽電池モジュールの効率を最大約8%改善できることを示しました(プログラム。 in 太陽光発電 10.1002/pip.3334).

骨やその他の組織の固定

1969 年、フロリダ大学の生物医学エンジニア、ラリー・ヘンチは、人体に拒絶されることなく骨と結合できる素材を探していました。 ヘンチは、米陸軍の医療研究および設計コマンドの提案に取り組んでいるときに、金属の場合のように拒否されることなく、体内の組織と生きた結合を形成できる新しい材料が必要であることに気付きました。そしてプラスチック製のインプラント。 彼は最終的に Bioglass 45S5 を合成しました。これは、現在フロリダ大学によって商標登録されている生物活性ガラスの特定の組成です。

酸化ナトリウム、酸化カルシウム、二酸化ケイ素、五酸化リンの特定の組み合わせである生体活性ガラスは、現在、損傷した骨を修復し、骨欠損を修復するための整形外科治療として使用されています. 「生物活性ガラスは、体内に入れると溶け始める物質であり、実際に細胞と骨に、より活性化して新しい骨を生成するように指示します」と述べています。 ジュリアン・ジョーンズ、インペリアル カレッジ ロンドン、英国からの材料の専門家。

Jones 氏は、ガラスがうまく機能する主な理由が XNUMX つあると説明しています。 まず、溶解すると、骨のミネラルに似たヒドロキシ炭酸アパタイトの表面層が形成されます。 これは、それが骨と相互作用し、体がそれを異物ではなく本来のものと見なすことを意味します. 第二に、ガラスが溶解するにつれて、細胞に新しい骨を生成するよう信号を送るイオンが放出されます。

臨床的には、生物活性ガラスは主に粉末として使用され、パテに成形されてから骨欠損に押し込まれますが、ジョーンズと彼の同僚は、より大きな構造修復のために 3D プリントされた足場のような材料に取り組んできました。 これらは、生体活性ガラスとポリマーの無機 - 有機ハイブリッドであり、弾力性のあるバイオガラスと呼ばれています。 3D プリントされたアーキテクチャは、優れた機械的特性を提供するだけでなく、細胞が正しい方法で成長することを促進する構造も提供します。 実際、Jones は、足場の細孔サイズを変更することにより、骨髄幹細胞が骨または軟骨の成長を促進できることを発見しました。 「私たちは弾力のあるバイオグラス軟骨で多くの成功を収めてきました」とジョーンズは言います。

生理活性ガラスは、糖尿病性潰瘍などによる慢性創傷の再生にも使用されています。 研究によると、脱脂綿のようなガラス包帯は、糖尿病性足潰瘍など、他の治療法では反応しなかった傷を癒すことができることが示されています (内外傷 J. 19 791).

しかし、ジョーンズ氏によると、生物活性ガラスの最も一般的な用途は、歯の自然な石灰化を促進する敏感な歯磨き粉です。 「歯の中心にある神経腔に入る細管があるため、歯が敏感になるため、これらの細管を石灰化すると、歯髄腔に入る道がありません」と彼は説明します.

反射防止、セルフクリーニング、抗菌

ユニバーシティ カレッジ ロンドンでは、研究者がガラスの表面にナノスケール構造をエッチングして、複数の異なる機能を持たせています。 過去にも同様の技術が試みられましたが、ガラス表面を十分に詳細に構造化することは困難で複雑であることが判明しました。 ナノエンジニア イオアニス・パパコンスタンティヌ しかし、彼の同僚は最近、ナノスケールの精度でガラスを詳細化できる新しいリソグラフィプロセスを開発しました (Adv。 メーター。 33 2102175).

光学的および聴覚的カモフラージュに同様の構造を使用する蛾に触発されて、研究者は、反射を減らすために、サブ波長のナノスケールのコーンの配列でガラス表面を彫刻しました。 彼らは、この構造化された表面が 3% 未満の光を反射することを発見しましたが、対照ガラスは約 7% を反射しました。 Papakonstantinou は、ナノコーンが、通常は急激な空気からガラスへの移行を滑らかにすることによって、ガラス表面の屈折率と空気の屈折率の間の変化を橋渡しするのに役立つと説明しています。 これにより、散乱が減少し、表面で反射する光の量が減少します。

表面は超疎水性でもあり、水滴や油滴をはじき、ナノ構造に閉じ込められた空気のクッションで跳ね返ります。 パパコンスタンティノウが説明するように、水滴が転がり落ちると、汚染物質や汚れを拾い上げ、ガラスが自浄作用を発揮します。 そして最終的な利点として、バクテリアは細胞膜を突き刺す鋭い円錐で、ガラスの上で生き残るのに苦労します. 焦点を当て 黄色ブドウ球菌 – ブドウ球菌感染症を引き起こすバクテリア – 走査型電子顕微鏡によると、表面に定着したバクテリアの 80% が死ぬことが示されていますが、標準的なガラスでは約 10% です。 研究者によると、これは抗菌ガラス表面の最初のデモンストレーションです。

光の非機械的制御

光は一般に、光の焦点を変更したりビームを操作したりするために操作できるレンズなどの可動部品によって、光学システムで制御されます。 しかし、新しいクラスの相変化材料 (PCM) は、機械的な介入なしに光学部品の特性を変えることができます。

PCM は、電流などの何らかの形のエネルギーが適用されると、組織化された結晶構造を持つことから、非晶質およびガラスのようなものに切り替わることができます。 このような材料は、光ディスクにデータを保存するために長い間使用されており、XNUMX つの相が XNUMX つのバイナリ状態を表しています。 しかし、これらの材料は、通常、相の XNUMX つが不透明であるため、そのような用途以外の光学では実際には使用されていません。

しかし最近、米国の研究者は、GSST (ネイチャーコミュニケーションズ 10 4279）。 彼らは、これらの材料のガラス状態と結晶状態の両方が赤外光に対して透明である一方で、屈折率が大きく異なることを発見しました。 これを利用して、赤外線を制御できる再構成可能な光学部品を作成できます。

ジュエジュン・フーマサチューセッツ工科大学の材料科学者は、XNUMX つのアプリケーションを備えた光学デバイスを用意する代わりに、いくつかの異なる機能を持つようにプログラムすることができると述べています。 「レンズから回折格子やプリズムに切り替えることもできます」と彼は説明します。

PCM の特性は、ナノスケールのサブ波長構造が表面に作られ、それぞれが特定の方法で光と相互作用するように調整されて、集光などの望ましい効果を生み出す光学メタマテリアルを作成することによって最もよく利用されます。一筋の光。 電流が材料に印加されると、材料の状態と屈折率が切り替わるにつれて、表面ナノ構造が光と相互作用する方法が変化します。

チームは、ズームレンズや光ビームをすばやくオフにできる光学シャッターなどの要素を作成できることをすでに実証しています。 キャスリーン・リチャードソンセントラル フロリダ大学の光学材料とフォトニクスの専門家であり、GSST 材料で Hu と協力した は、これらの材料はセンサーやその他の光学デバイスのサイズを簡素化し、小型化できると述べています。 これにより、複数の光学機構を組み合わせることが可能になり、個々の部品の数が減り、さまざまな機械要素が不要になります。 「同じコンポーネントに複数の機能があるため、プラットフォームがより小さく、コンパクトになり、軽量になります」とリチャードソンは説明します。

不滅のガラス

「物理法則を曲げることはできますが、破ることはできません」と、英国のシェフィールド ハラム大学でガラスとセラミックを専門とするポール ビンガムは言います。 「基本的に、ガラスはもろい素材で、ガラスの小さな部分に十分な力を加えれば、壊れてしまいます。」 それでも、パフォーマンスを向上させるさまざまな方法があります。

携帯電話を考えてみましょう。 ほとんどのスマートフォンの画面は化学強化ガラスでできており、最も一般的なのは ゴリラガラス. 2000 年代にコーニングによって開発されたこの強力で傷がつきにくい、しかも薄いガラスは、現在約 XNUMX 億台のスマートフォン、タブレット、その他の電子機器に使用されています。 しかし、化学強化ガラスは完全に割れないわけではありません。 実際、ビンガムの電話画面は壊れています。 「一度落として、もう一度落として、まったく同じ場所に着地して、それでゲームオーバーになりました」と彼は言います。

ガラススクリーンの耐久性をさらに向上させるために、ビンガムは、化学者が率いるノーサンブリア大学のポリマー科学者と「Manufacturing Immortality」というタイトルのプロジェクトに取り組んでいます。 ジャスティン・ペリー、自己修復ポリマーを開発しました。 これらの自己修復ポリマーを半分に切断してから押し合わせると、やがて結合します. 研究者たちは、そのような材料のコーティングをガラスに適用する実験を行ってきました。

十分な力を加えると、これらのスクリーンは壊れますが、落としてポリマー層にひびが入った場合、自己修復する可能性があります. これは周囲の室温条件下で発生しますが、たとえば暖かい場所に置いておくなどして少し加熱すると、プロセスがスピードアップする可能性があります. 「それは、製品の寿命を延ばし、持続可能性を高め、耐障害性を高めることです」とビンガム氏は言います。 また、スマートフォンだけでなく、ガラスを保護層として使用する多くの製品にも役立つ可能性があります。