'스마트' 유리를 향한 새로운 창

태양광 커버 유리 개선

놀랍게 보일 수 있지만 모든 햇빛이 태양 전지에 좋은 것은 아닙니다. 태양광 발전 장치는 적외선과 가시광선을 전기 에너지로 변환하지만 자외선(UV) 빛은 이를 손상시킵니다. 일광 화상과 마찬가지로 UV 광은 유기 태양 전지에 사용되는 탄소 기반 폴리머에 부정적인 영향을 미칩니다. 연구원들은 UV 광으로 인한 손상이 유기 반도체 층이 전기 저항력을 높여 전류 흐름과 전지의 전체 효율을 감소시킨다는 것을 발견했습니다.

이 문제는 유기 세포에 국한되지 않습니다. UV 광은 또한 다양한 재료의 스택으로 구성된 보다 일반적인 실리콘 기반 광전지를 방해합니다. 실리콘 기반 광활성 층은 물의 침투로부터 보호하는 폴리머 사이에 끼워져 있으며, 이 장치는 유리 덮개로 덮여있어 햇빛을 통과시키면서 요소로부터 보호합니다. UV 광선의 문제는 폴리머가 손상되어 물이 전극에 침투하여 전극을 부식시킨다는 것입니다.

폴 빙엄영국 셰필드 할람 대학교(Sheffield Hallam University)의 유리 전문가는 태양 전지판 효율성을 개선하기 위해 "지난 수십 년 동안 가장 중요한 이동 방향은 유리를 더 투명하고 투명하게 만드는 것이었습니다"라고 설명합니다. 이것은 철과 같이 녹색 색조를 생성하는 유리를 착색하는 화학 물질을 제거하는 것을 의미합니다. 불행히도 Bingham이 설명하는 것처럼 이는 더 많은 UV 광선을 통과시켜 폴리머를 더욱 손상시킵니다.

따라서 Bingham과 그의 동료들은 다른 방향으로 나아가고 있습니다. 그들은 유리가 유해한 자외선을 흡수하지만 유용한 적외선과 가시광선에는 투명하도록 화학적으로 도핑했습니다. 철은 일부 가시광선 및 적외선 파장을 흡수하기 때문에 여전히 이상적인 첨가제가 아니며 크롬 및 코발트와 같은 다른 첫 번째 열 전이 금속도 마찬가지입니다.

대신 Bingham의 팀은 비스무트 및 주석과 같은 다른 금속과 함께 니오븀, 탄탈륨 및 지르코늄과 같이 일반적으로 유리에 추가되지 않는 두 번째 및 세 번째 행의 전이 요소를 실험해 왔습니다. 이들은 눈에 보이는 착색 없이 강한 UV 흡수를 만듭니다. 커버 유리에 사용하면 광전지의 수명이 연장되고 더 높은 효율을 유지하여 더 오랜 시간 동안 더 많은 전기를 생성할 수 있습니다.

이 과정에는 또 다른 이점이 있습니다. "우리가 발견한 것은 많은 도펀트가 UV 광자를 흡수하고 약간의 에너지를 잃은 다음 가시광자로 다시 방출하므로 기본적으로 형광성이 있다는 것입니다."라고 Bingham은 말합니다. 그들은 전기 에너지로 변환될 수 있는 유용한 광자를 생성합니다. 최근 연구에서 연구원들은 이러한 유리가 표준 커버 유리(음식물. 광전지에서 10.1002/pip.3334).

뼈 및 기타 조직 고정

1969년 플로리다 대학의 생의학 엔지니어인 Larry Hench는 인체에 ​​거부감 없이 뼈와 결합할 수 있는 물질을 찾고 있었습니다. 미 육군 의료 연구 및 설계 사령부에 대한 제안서를 작성하는 동안 Hench는 금속의 경우처럼 거부되지 않으면서도 신체의 조직과 살아있는 결합을 형성할 수 있는 새로운 재료가 필요하다는 것을 깨달았습니다. 및 플라스틱 임플란트. 그는 결국 Bioglass 45S5를 합성했습니다. Bioglass XNUMXSXNUMX는 현재 플로리다 대학에서 상표권을 등록한 생리 활성 유리의 특정 구성입니다.

산화 나트륨, 산화 칼슘, 이산화 규소 및 오산화 인의 특정 조합인 생리 활성 유리는 이제 손상된 뼈를 복원하고 뼈 결함을 복구하는 정형 외과 치료로 사용됩니다. "생체 활성 유리는 몸에 넣으면 용해되기 시작하는 물질입니다. 그렇게 되면서 실제로 세포와 뼈가 더 활성화되고 새로운 뼈를 생성하도록 지시합니다."라고 말합니다. 줄리안 존스, 영국 Imperial College London의 재료 전문가.

Jones는 유리가 잘 작동하는 두 가지 주요 이유가 있다고 설명합니다. 첫째, 용해되면서 뼈의 미네랄과 유사한 하이드록시카보네이트 인회석의 표면층을 형성합니다. 즉, 뼈와 상호 작용하고 신체는 이를 외래 개체가 아닌 고유 개체로 간주합니다. 둘째, 유리가 용해되면서 세포에 새로운 뼈를 생성하도록 신호를 보내는 이온을 방출합니다.

임상적으로 생리활성 유리는 주로 퍼티로 형성된 다음 뼈 결손부에 밀어넣는 분말로 사용되지만 Jones와 그의 동료들은 더 큰 구조 수리를 위해 3D 인쇄된 스캐폴드와 같은 재료를 연구하고 있습니다. 이들은 생체 활성 유리와 폴리머의 무기-유기 하이브리드로 탄력 있는 바이오글라스라고 합니다. 3D 인쇄된 아키텍처는 우수한 기계적 특성을 제공할 뿐만 아니라 세포가 올바른 방식으로 성장하도록 장려하는 구조를 제공합니다. 사실, Jones는 스캐폴드의 구멍 크기를 변경함으로써 골수 줄기 세포가 뼈나 연골을 자라도록 장려할 수 있다는 것을 발견했습니다. “우리는 탄력 있는 Bioglass 연골로 엄청난 성공을 거두었습니다.”라고 Jones는 말합니다.

생체 활성 유리는 당뇨병성 궤양으로 인한 상처와 같은 만성 상처를 재생하는 데에도 사용됩니다. 연구에 따르면 유리 드레싱과 같은 면모는 당뇨병성 족부 궤양과 같은 다른 치료법에 반응하지 않은 상처를 치료할 수 있습니다.국제 상처 J. 19 791).

그러나 Jones는 생리 활성 유리의 가장 일반적인 용도는 치아의 자연적인 광물화를 촉진하는 민감한 치약에 있다고 말합니다. "당신은 치아 중앙의 신경강으로 들어가는 세관이 있기 때문에 민감한 치아를 가지고 있습니다. 따라서 이러한 세관을 광물화하면 치수강으로 들어갈 길이 없습니다."라고 그는 설명합니다.

반사 방지, 자체 청소 및 항균

유니버시티 칼리지 런던(University College London)에서 연구원들은 다양한 기능을 제공하기 위해 유리 표면에 나노 규모 구조를 에칭해 왔습니다. 유사한 기술이 과거에 시도되었지만 충분히 세부적으로 유리 표면을 구조화하는 것은 어렵고 복잡한 것으로 판명되었습니다. 나노엔지니어 이오아니스 파파콘스탄티누 그러나 그의 동료들은 최근에 나노 규모의 정밀도로 유리를 세부적으로 만들 수 있는 새로운 리소그래피 공정을 개발했습니다.Adv. 메이터. 33 2102175).

광학 및 음향 위장을 위해 유사한 구조를 사용하는 나방에서 영감을 받아 연구원들은 반사율을 줄이기 위해 하위 파장의 나노 스케일 원뿔 배열로 유리 표면을 조각했습니다. 그들은 이 구조화된 표면이 빛의 3% 미만을 반사하는 반면 대조 유리는 약 7%를 반사한다는 것을 발견했습니다. Papakonstantinou는 나노콘이 일반적으로 급격한 공기에서 유리로의 전환을 부드럽게 함으로써 유리 표면의 굴절률과 공기의 굴절률 사이의 변화를 연결하는 데 도움이 된다고 설명합니다. 이것은 산란을 줄여 표면에서 반사되는 빛의 양을 줄입니다.

표면은 또한 초소수성이어서 물과 기름 방울을 반발하여 나노구조에 갇힌 공기 쿠션에서 튕겨 나옵니다. 물방울이 굴러 떨어지면서 오염 물질과 먼지를 흡수하여 Papakonstantinou가 설명하는 것처럼 유리가 자동으로 청소됩니다. 그리고 마지막 이점으로 박테리아는 유리 위에서 생존하기 위해 고군분투하며 날카로운 원뿔이 세포막을 관통합니다. 에 초점을 맞추고 포도상 구균 – 포도상구균 감염을 일으키는 박테리아 – 주사 전자 현미경은 표면에 정착한 박테리아의 80%가 죽는 것으로 나타났습니다. 일반 유리에서는 약 10%입니다. 연구원들에 따르면 이것은 항균 유리 표면의 첫 번째 시연입니다.

빛의 비기계적 제어

빛은 일반적으로 빛의 초점을 변경하거나 빔을 조종하기 위해 조작할 수 있는 렌즈와 같은 움직이는 부품에 의해 광학 시스템에서 제어됩니다. 그러나 새로운 종류의 상변화 물질(PCM)은 기계적 개입 없이 광학 부품의 속성을 변경할 수 있습니다.

PCM은 전류와 같은 에너지 형태가 적용될 때 조직화된 결정 구조를 비정질 및 유리 유사로 전환할 수 있습니다. 이러한 재료는 광 디스크에 데이터를 저장하는 데 오랫동안 사용되어 왔으며 두 단계는 두 가지 이진 상태를 나타냅니다. 그러나 이러한 재료는 위상 중 하나가 일반적으로 불투명하기 때문에 이러한 응용 분야 이외의 광학 분야에서는 실제로 사용되지 않았습니다.

그러나 최근에 미국의 연구원들은 GSST(자연통신 10 4279). 그들은 이러한 물질의 유리 상태와 결정 상태가 모두 적외선에 투명하지만 굴절률이 크게 다르다는 것을 발견했습니다. 이것은 적외선을 제어할 수 있는 재구성 가능한 광학 장치를 만드는 데 악용될 수 있습니다.

후주준매사추세츠 공과 대학의 재료 과학자는 하나의 응용 프로그램으로 광학 장치를 사용하는 대신 여러 가지 기능을 갖도록 프로그래밍할 수 있다고 말합니다. "렌즈에서 회절 격자나 프리즘으로 전환할 수도 있습니다."라고 그는 설명합니다.

Hu는 PCM의 특성을 가장 잘 활용한다고 말했습니다. 광학 메타물질은 나노크기의 하위 파장 구조가 표면에 형성되고 각각이 특정 방식으로 빛과 상호 작용하여 초점을 맞추는 것과 같은 원하는 효과를 생성하도록 조정됩니다. 빛의 광선. 전류가 재료에 가해지면 표면 나노구조가 빛과 상호작용하는 방식이 재료의 상태와 굴절률이 전환됨에 따라 변합니다.

팀은 이미 광선을 빠르게 끌 수 있는 줌 렌즈 및 광학 셔터와 같은 요소를 만들 수 있음을 보여주었습니다. 캐슬린 리처드슨Hu와 함께 GSST 재료에 대해 작업한 University of Central Florida의 광학 재료 및 포토닉스 전문가는 이러한 재료가 센서 및 기타 광학 장치를 단순화하고 크기를 줄일 수 있다고 말했습니다. 여러 광학 메커니즘을 결합하여 개별 부품의 수를 줄이고 다양한 기계적 요소의 필요성을 제거할 수 있습니다. Richardson은 "동일한 구성 요소의 여러 기능으로 인해 플랫폼이 더 작고 더 작고 가벼워졌습니다."라고 설명합니다.

불멸의 유리

영국 셰필드 할람 대학에서 안경과 도자기를 전문으로 하는 폴 빙햄은 “물리 법칙을 구부릴 수는 있어도 그것을 깨뜨릴 수는 없다”고 말했다. "기본적으로 유리는 부서지기 쉬운 재료이므로 유리의 작은 부분에 충분한 힘을 가하면 깨질 것입니다." 그러나 성능을 향상시킬 수 있는 다양한 방법이 있습니다.

휴대 전화를 고려하십시오. 대부분의 스마트폰 화면은 화학 강화 유리로 만들어지며 가장 일반적인 것은 고릴라 유리. 2000년대에 코닝에서 개발한 이 강력하고 긁힘에 강하면서도 얇은 유리는 현재 약 XNUMX억 개의 스마트폰, 태블릿 및 기타 전자 장치에서 볼 수 있습니다. 그러나 화학적으로 강화된 유리는 완전히 깨지지 않습니다. 사실 빙엄의 휴대폰 화면이 깨졌다. "한 번 떨어뜨렸다가 다시 떨어뜨렸는데 정확히 같은 지점에 떨어졌고 게임이 끝났습니다."라고 그는 말합니다.

Bingham은 유리 스크린의 내구성을 더욱 향상시키기 위해 화학자가 이끄는 Northumbria University의 고분자 과학자들과 함께 "Manufacturing Immortality"라는 프로젝트를 진행하고 있습니다. 저스틴 페리, 자가 치유 폴리머를 개발했습니다. 이 자가 치유 폴리머를 반으로 자른 다음 조각을 함께 밀면 시간이 지나면 다시 결합됩니다. 연구원들은 이러한 물질의 코팅을 유리에 적용하는 실험을 해왔습니다.

충분한 힘을 가하면 이 스크린이 여전히 부서지겠지만, 스크린을 떨어뜨리고 폴리머 층에 금이 가면 자가 치유될 수 있습니다. 이것은 주변 실온 조건에서 발생하지만 예를 들어 따뜻한 곳에 두어 약간 가열하면 프로세스 속도가 빨라질 수 있습니다. Bingham은 "제품의 수명을 개선하고 제품을 보다 지속 가능하게 만들고 복원력을 높이는 것입니다."라고 말합니다. 그리고 스마트폰뿐만 아니라 유리를 보호막으로 사용하는 많은 제품에 유용할 수 있습니다.