Van het repareren van botten tot het maken van antibacteriële oppervlakken, Michaël Allen praat met de onderzoekers die glas maken met extra functionaliteit en prestaties
Glas is alomtegenwoordig in het dagelijks leven. Omdat het zeer transparant, stabiel en duurzaam is, is het een belangrijk materiaal voor een groot aantal toepassingen, van eenvoudige vensters tot aanraakschermen op onze nieuwste gadgets tot fotonische componenten voor hi-tech sensoren.
De meest voorkomende glazen zijn gemaakt van silica, kalk en frisdrank. Maar eeuwenlang zijn er extra ingrediënten aan glas toegevoegd om eigenschappen als kleur en hittebestendigheid te verlenen. En onderzoekers werken nog steeds aan glas, in een poging het meer functionaliteit te geven en de prestaties voor specifieke taken te verbeteren, waardoor steeds meer hi-tech glas ontstaat en wat ‘slim’ glas zou kunnen worden genoemd.
Slimme materialen zijn niet eenvoudig te definiëren, maar in grote lijnen zijn ze ontworpen om op een specifieke manier te reageren op externe prikkels. Op het gebied van glas is de meest voor de hand liggende ‘slimme’ toepassing die voor ramen – in het bijzonder het regelen van de hoeveelheid licht die door het glas valt. Op die manier kunnen we de energie-efficiëntie van elk gebouw vergroten: de hitte in de zomer verminderen en het warm houden bij kouder weer.
Raam spanning
De kleur of ondoorzichtigheid van slim glas kan worden veranderd door een spanning op het materiaal aan te leggen, waardoor bepaalde optische eigenschappen – zoals absorptie en reflectie – op een omkeerbare manier worden gewijzigd. Dergelijke ‘elektrochrome’ slimme vensters kunnen op verzoek de transmissie van bepaalde lichtfrequenties, zoals ultraviolet of infrarood, controleren of zelfs helemaal blokkeren. De toepassing van deze technologie is niet alleen populair in gebouwen, maar ook in elektronische displays en getinte autoruiten.
Elektrochrome ramen lopen inderdaad voor op andere technologieën op dit gebied en zijn al op de markt gebracht. Maar ondanks dat ze goed werken, hebben ze een aantal duidelijke nadelen. Ze zijn behoorlijk complex en duur, en bij het achteraf inbouwen ervan in oudere gebouwen zijn doorgaans nieuwe ramen, raamkozijnen en elektrische aansluitingen nodig. Ze zijn ook niet automatisch: je moet ze aan en uit zetten.
Om een aantal van deze problemen aan te pakken, hebben onderzoekers gewerkt aan thermochrome ramen, die worden veroorzaakt door veranderingen in temperatuur in plaats van door spanning. Een grote aantrekkingskracht is dat ze passief zijn: eenmaal geïnstalleerd veranderen hun eigenschappen met de omgevingstemperatuur, zonder dat er menselijke tussenkomst nodig is. De dominante methode voor het maken van dergelijke thermochrome ramen is het aanbrengen van een coating van vanadiumdioxide op glas (Joule 10.1016 / j.joule.2018.06.018), maar er kunnen ook andere materialen zoals perovskieten worden gebruikt (J. App. Energie 254 113690). Deze materialen ondergaan een faseovergang en worden min of meer transparant naarmate de temperatuur verandert, een effect dat kan worden afgestemd op verschillende omstandigheden.
Hoewel vanadiumdioxide veelbelovend is voor slimme ramen, zijn er obstakels die moeten worden overwonnen. Vanwege de sterke absorptie produceert vanadiumdioxide een onaangename bruingele tint en er is verder werk nodig op het gebied van de milieustabiliteit (Gev. Fabrikant 6 1). Uit een recent onderzoek blijkt ook dat, hoewel deze technologieën aanzienlijke energiebesparingen kunnen opleveren, er meer onderzoek nodig is naar het gebruik en de impact ervan in de praktijk. Er is bijvoorbeeld gebleken dat de energieprestaties van thermochrome ramen sterk variëren tussen verschillende steden die hetzelfde filmtype gebruiken, maar veel minder tussen verschillende filmtypes die in dezelfde stad worden gebruikt (J. App. Energie 255 113522).
Maar hi-tech glas houdt niet op bij slimme ramen. Onderzoekers hebben ontdekt dat als ze meer ongebruikelijke metalen aan glas toevoegen, dit kan helpen zonnepanelen te beschermen en efficiënter te maken (zie kader: Verbetering van fotovoltaïsch afdekglas). Bioactief glas kan ons intussen helpen bot en ander weefsel terug te laten groeien (zie kader: Botten en ander weefsel fixeren), terwijl nieuwe etsprocessen ons in staat zouden kunnen stellen om meerdere functies aan glas toe te voegen zonder de noodzaak van oppervlaktecoatings (zie kader: Antireflecterend glas). , zelfreinigend en antibacterieel). En hoewel dit geen traditionele optische brillen zijn, zouden nieuwe faseveranderingsmaterialen kunnen helpen lichtere en compactere optische systemen te creëren (zie kader: Niet-mechanische lichtregeling). Tenslotte kan glas op een dag misschien zelfs zichzelf genezen (zie kader: Onsterfelijk glas).
Verbetering van fotovoltaïsch afdekglas
Het lijkt misschien verrassend, maar niet al het zonlicht is goed voor zonnecellen. Terwijl fotovoltaïsche eenheden infrarood en zichtbaar licht omzetten in elektrische energie, beschadigt ultraviolet (UV) licht deze. Net als bij zonnebrand heeft UV-licht een negatieve invloed op de op koolstof gebaseerde polymeren die worden gebruikt in organische fotovoltaïsche cellen. Onderzoekers hebben ontdekt dat de schade door UV-licht de organische halfgeleiderlaag elektrisch resistenter maakt, waardoor de stroomsterkte en de algehele efficiëntie van de cel worden verminderd.
Dit probleem beperkt zich niet tot organische cellen. UV-licht belemmert ook de meer gebruikelijke op silicium gebaseerde fotovoltaïsche energie, die uit een stapel verschillende materialen bestaat. De op silicium gebaseerde fotoactieve laag is ingeklemd tussen polymeren die hem beschermen tegen het binnendringen van water, en dit apparaat wordt vervolgens bedekt met een glazen afdekking, die hem verder beschermt tegen de elementen en tegelijkertijd zonlicht doorlaat. Het probleem met UV-licht is dat het de polymeren beschadigt, waardoor water kan binnendringen en de elektroden kan aantasten.
Paul Bingham, een glasexpert aan de Sheffield Hallam Universiteit in Groot-Brittannië, legt uit dat het verbeteren van de efficiëntie van zonnepanelen “de belangrijkste richting van de reis in de afgelopen decennia is geweest om het glas steeds helderder te maken”. Dit betekent het verwijderen van chemicaliën die het glas kleuren, zoals ijzer, waardoor een groene tint ontstaat. Helaas laat dit, zoals Bingham uitlegt, meer UV-licht door, waardoor het polymeer verder wordt beschadigd.
Bingham en zijn collega's zijn daarom de andere kant op gegaan: ze hebben glas zodanig chemisch gedoteerd dat het schadelijk UV-licht absorbeert, maar transparant is voor het nuttige infrarood- en zichtbare licht. IJzer is nog steeds geen ideaal additief, omdat het bepaalde zichtbare en infrarode golflengten absorbeert, en hetzelfde geldt voor andere overgangsmetalen op de eerste rij, zoals chroom en kobalt.
In plaats daarvan heeft het team van Bingham geëxperimenteerd met overgangselementen op de tweede en derde rij die normaal niet aan glas zouden worden toegevoegd, zoals niobium, tantaal en zirkonium, samen met andere metalen zoals bismut en tin. Deze zorgen voor een sterke UV-absorptie zonder enige zichtbare kleuring. Bij gebruik in het dekglas verlengt dit de levensduur van fotovoltaïsche zonne-energie en helpt het een hoger rendement te behouden, zodat ze langer meer elektriciteit opwekken.
Het proces heeft nog een ander voordeel. "Wat we hebben ontdekt is dat veel van de doteermiddelen UV-fotonen absorberen, een beetje energie verliezen en deze vervolgens opnieuw uitzenden als zichtbare fotonen, dus fluorescentie", zegt Bingham. Ze creëren nuttige fotonen die kunnen worden omgezet in elektrische energie. In een recent onderzoek hebben de onderzoekers aangetoond dat dergelijke glazen de efficiëntie van zonnepanelen tot wel 8% kunnen verbeteren, vergeleken met standaard afdekglas (Prog. op het gebied van fotovoltaïsche energie 10.1002/pip.3334).
Het fixeren van botten en ander weefsel
In 1969 was biomedisch ingenieur Larry Hench, van de Universiteit van Florida, op zoek naar een materiaal dat zich kon hechten aan bot zonder door het menselijk lichaam te worden afgestoten. Terwijl hij aan een voorstel werkte voor het Medical Research and Design Command van het Amerikaanse leger, realiseerde Hench zich dat er behoefte was aan een nieuw materiaal dat een levende band kon vormen met weefsels in het lichaam, zonder te worden afgewezen, zoals vaak het geval is met metaal. en plastic implantaten. Uiteindelijk synthetiseerde hij Bioglass 45S5, een specifieke samenstelling van bioactief glas dat nu een handelsmerk is van de Universiteit van Florida.
Bioactief glas, een specifieke combinatie van natriumoxide, calciumoxide, siliciumdioxide en fosforpentoxide, wordt nu gebruikt als orthopedische behandeling om beschadigd bot te herstellen en botdefecten te herstellen. "Bioactief glas is een materiaal dat je in het lichaam stopt en het begint op te lossen, en terwijl het dat doet, vertelt het cellen en botten feitelijk actiever te worden en nieuw bot te produceren", zegt Juliaanse Jones, een expert in het materiaal, van het Imperial College London, VK.
Jones legt uit dat er twee belangrijke redenen zijn waarom het glas zo goed werkt. Ten eerste vormt het, wanneer het oplost, een oppervlaktelaag van hydroxycarbonaatapatiet, vergelijkbaar met het mineraal in bot. Dit betekent dat het een wisselwerking heeft met het bot en dat het lichaam het als een inheems en niet als een vreemd object beschouwt. Ten tweede laat het glas, terwijl het oplost, ionen vrij die cellen het signaal geven om nieuw bot te produceren.
Klinisch wordt bioactief glas voornamelijk gebruikt als een poeder dat tot stopverf wordt gevormd en vervolgens in het botdefect wordt geduwd, maar Jones en zijn collega's hebben gewerkt aan 3D-geprinte steigerachtige materialen voor grotere structurele reparaties. Dit zijn anorganisch-organische hybriden van bioactief glas en polymeer die zij veerkrachtig Bioglass noemen. De 3D-geprinte architectuur zorgt voor goede mechanische eigenschappen, maar ook voor een structuur die cellen stimuleert om op de juiste manier te groeien. Jones heeft zelfs ontdekt dat door het veranderen van de poriegrootte van het skelet, beenmergstamcellen kunnen worden aangemoedigd om bot of kraakbeen te laten groeien. "We hebben enorm veel succes gehad met het veerkrachtige Bioglass-kraakbeen", zegt Jones.
Bioactief glas wordt ook gebruikt om chronische wonden te regenereren, zoals die veroorzaakt door diabeteszweren. Onderzoek heeft aangetoond dat wattenachtige glasverbanden wonden kunnen genezen, zoals diabetische voetzweren, die niet op andere behandelingen hebben gereageerd (Int. Wond J. 19 791).
Maar Jones zegt dat bioactief glas het meest wordt gebruikt in sommige gevoelige tandpasta's, waar het de natuurlijke mineralisatie van tanden veroorzaakt. "Je hebt gevoelige tanden omdat je buisjes hebt die in het midden van de tand in je zenuwholte terechtkomen, dus als je die buisjes mineraliseert, is er geen toegang tot de pulpaholte", legt hij uit.
Anti-reflecterend, zelfreinigend en antibacterieel
Aan het University College London hebben onderzoekers structuren op nanoschaal in het oppervlak van glas geëtst om het meerdere verschillende functies te geven. Soortgelijke technieken zijn in het verleden geprobeerd, maar het is een uitdaging en ingewikkeld gebleken om het glasoppervlak voldoende gedetailleerd te structureren. Nano-ingenieur Ioannis Papakonstantinou en zijn collega's hebben echter onlangs een nieuw lithografieproces ontwikkeld waarmee ze glas kunnen detailleren met precisie op nanoschaal (Adv. zaak. 33 2102175).
Geïnspireerd door motten die vergelijkbare structuren gebruiken voor optische en akoestische camouflage, hebben de onderzoekers een glazen oppervlak gegraveerd met een reeks sub-golflengte kegels op nanoschaal om de reflectie te verminderen. Ze ontdekten dat dit gestructureerde oppervlak minder dan 3% van het licht weerkaatste, terwijl een controleglas ongeveer 7% weerkaatste. Papakonstantinou legt uit dat de nanoconussen veranderingen helpen overbruggen tussen de brekingsindex van het glasoppervlak en die van lucht, door de doorgaans abrupte overgang van lucht naar glas te verzachten. Dit vermindert de verstrooiing en daarmee de hoeveelheid licht die door het oppervlak wordt weerkaatst.
Het oppervlak is ook superhydrofoob, waardoor water- en oliedruppels worden afgestoten, zodat ze terugkaatsen op luchtkussens die in de nanostructuren zijn opgesloten. Terwijl de druppels eraf rollen, nemen ze verontreinigingen en vuil op, waardoor het glas zelfreinigend wordt, legt Papakonstantinou uit. En als laatste voordeel hebben bacteriën moeite om te overleven op het glas, waarbij de scherpe kegels hun celmembranen doorboren. Focussen op Staphylococcus aureus – de bacteriën die stafylokokbesmettingen veroorzaken – scanning-elektronenmicroscopie heeft aangetoond dat 80% van de bacteriën die zich op het oppervlak nestelen, afsterven, vergeleken met ongeveer 10% op standaardglas. Volgens de onderzoekers is dit de eerste demonstratie van een antibacterieel glasoppervlak.
Niet-mechanische lichtregeling
Licht wordt in optische systemen over het algemeen bestuurd door bewegende delen, zoals een lens die kan worden gemanipuleerd om het brandpunt van het licht te veranderen of een straal te sturen. Maar een nieuwe klasse faseveranderingsmaterialen (PCM's) zou de eigenschappen van optische componenten kunnen veranderen zonder enige mechanische tussenkomst.
Een PCM kan schakelen tussen een georganiseerde kristallijne structuur en amorf en glasachtig zijn wanneer een bepaalde vorm van energie, zoals een elektrische stroom, wordt toegepast. Dergelijke materialen worden al lang gebruikt om gegevens op optische schijven op te slaan, waarbij de twee fasen de twee binaire toestanden vertegenwoordigen. Maar deze materialen zijn niet echt gebruikt in de optica buiten dergelijke toepassingen, omdat een van de fasen normaal gesproken ondoorzichtig is.
Onlangs hebben onderzoekers in de VS echter een nieuwe klasse PCM's gecreëerd op basis van de elementen germanium, antimoon, selenium en tellurium, bekend als GSST (Natuur Comm 10 4279). Ze ontdekten dat, hoewel zowel de glasachtige als de kristallijne toestand van deze materialen transparant zijn voor infrarood licht, ze sterk verschillende brekingsindexen hebben. Dit kan worden benut om herconfigureerbare optica te creëren die infrarood licht kan controleren.
Juejun Hu, een materiaalwetenschapper aan het Massachusetts Institute of Technology, zegt dat je in plaats van een optisch apparaat met één toepassing te hebben, het kunt programmeren om verschillende functies te hebben. “Je zou zelfs kunnen overstappen van een lens naar een diffractierooster of een prisma”, legt hij uit.
De eigenschappen van PCM's kunnen het beste worden benut, zegt Hu, door optische metamaterialen te creëren, waarbij structuren op nanoschaal met een subgolflengte op het oppervlak worden gevormd en elk is afgestemd om op een specifieke manier met licht in wisselwerking te treden om een gewenst effect te creëren, zoals focussering. een lichtstraal. Wanneer een elektrische stroom op het materiaal wordt toegepast, verandert de manier waarop de nanostructuren op het oppervlak met het licht interageren naarmate de toestand en de brekingsindex van het materiaal veranderen.
Het team heeft al aangetoond dat het elementen kan creëren zoals zoomlenzen en optische sluiters die een lichtstraal snel kunnen uitschakelen. Kathleen Richardson, een expert in optische materialen en fotonica aan de University of Central Florida, die met Hu aan de GSST-materialen werkte, zegt dat deze materialen sensoren en andere optische apparaten zouden kunnen vereenvoudigen en de grootte ervan kunnen verkleinen. Ze zouden het mogelijk maken om meerdere optische mechanismen te combineren, waardoor het aantal afzonderlijke onderdelen zou worden verminderd en de behoefte aan verschillende mechanische elementen zou verdwijnen. “Meerdere functies in hetzelfde onderdeel maken het platform kleiner, compacter en lichter”, legt Richardson uit.
Onsterfelijk glas
“Je kunt de wetten van de natuurkunde buigen, maar je kunt ze niet breken”, zegt Paul Bingham, gespecialiseerd in glazen en keramiek aan de Sheffield Hallam University, VK. "In principe is glas een bros materiaal en als je voldoende kracht uitoefent op een deel van het glas dat klein genoeg is, zal het breken." Toch zijn er verschillende manieren waarop hun prestaties kunnen worden verbeterd.
Denk aan mobiele telefoons. De meeste smartphoneschermen zijn gemaakt van chemisch gehard glas, waarvan de meest voorkomende is Gorilla Glass. Dit sterke, krasbestendige en toch dunne glas, ontwikkeld door Corning in de jaren 2000, is nu te vinden in ongeveer vijf miljard smartphones, tablets en andere elektronische apparaten. Maar chemisch versterkt glas is niet volledig onbreekbaar. Het telefoonscherm van Bingham is zelfs kapot. “Ik liet het een keer vallen en toen liet ik het nog een keer vallen en het landde op precies hetzelfde punt en dat was game over”, zegt hij.
Om de duurzaamheid van glazen schermen verder te verbeteren, heeft Bingham samen met polymeerwetenschappers aan de Northumbria University gewerkt aan een project getiteld “Manufacturing Immortality”, onder leiding van een scheikundige Justin Perry, die zelfherstellende polymeren hebben ontwikkeld. Als je deze zelfherstellende polymeren doormidden snijdt en de stukken vervolgens samendrukt, zullen ze na verloop van tijd weer bij elkaar komen. De onderzoekers hebben geëxperimenteerd met het aanbrengen van coatings van dergelijke materialen op glas.
Als je voldoende kracht uitoefent, zullen deze schermen nog steeds breken, maar als je er een laat vallen en de polymeerlaag scheurt, kan deze zichzelf herstellen. Dit zal gebeuren bij omgevingstemperatuur, maar een beetje opwarmen, bijvoorbeeld door ze op een warme plek te laten staan, zou het proces kunnen versnellen. “Het gaat erom de levensduur van producten te verbeteren, ze duurzamer en veerkrachtiger te maken”, zegt Bingham. En het zou nuttig kunnen zijn voor veel producten die glas als beschermlaag gebruiken, niet alleen voor smartphones.
