Fra å fikse bein til å lage antibakterielle overflater, Michael Allen snakker med forskerne som lager glass som har ekstra funksjonalitet og ytelse
Glass er allestedsnærværende i hverdagen. Siden det er svært gjennomsiktig, stabilt og holdbart, er det et viktig materiale for en myriade av bruksområder, fra enkle vinduer til berøringsskjermer på våre nyeste dingser til fotoniske komponenter for høyteknologiske sensorer.
De vanligste glassene er laget av silika, lime og brus. Men i århundrer har ytterligere ingredienser blitt tilsatt glass for å gi egenskaper som farge og varmebestandighet. Og forskere jobber fortsatt med glass, og prøver å gi det ytterligere funksjonalitet og forbedre ytelsen for spesifikke oppgaver, og skaper stadig mer høyteknologisk glass og det som kan refereres til som "smart" glass.
Smarte materialer er ikke enkle å definere, men i store trekk er de designet for å reagere på en spesifikk måte på ytre stimuli. Når det gjelder glass, er den mest åpenbare "smarte" applikasjonen for vinduer - spesielt for å kontrollere mengden lys som passerer gjennom glasset. På den måten kan vi øke energieffektiviteten til enhver bygning: redusere varmen om sommeren, samtidig som vi holder den varm i kaldere vær.
Vindusspenning
Fargen eller opasiteten til noe smart glass kan endres ved å påføre en spenning på materialet, og dermed endre visse optiske egenskaper – som absorpsjon og reflektans – på en måte som er reversibel. Slike "elektrokromiske" smarte vinduer kan kontrollere transmittansen til visse lysfrekvenser, for eksempel ultrafiolett eller infrarød, på forespørsel, eller til og med blokkere dem helt. Anvendelsen av denne teknologien er populær ikke bare i bygninger, men også i elektroniske skjermer og tonede bilvinduer.
Faktisk er elektrokrome vinduer foran andre teknologier på dette feltet, og har allerede blitt kommersialisert. Men til tross for at de fungerer bra, har de noen åpenbare ulemper. De er ganske komplekse og dyre, og ettermontering av dem til eldre bygninger krever vanligvis installasjon av nye vinduer, vindusrammer og elektriske tilkoblinger. De er heller ikke automatiske – du må slå dem av og på.
For å løse noen av disse problemene har forskere jobbet med termokromiske vinduer, som utløses av endringer i temperatur i stedet for spenning. En stor attraksjon er at de er passive – når de først er installert, endres egenskapene deres med omgivelsestemperaturen, uten behov for menneskelig innsats. Den dominerende metoden for å lage slike termokrome vinduer er å påføre et belegg av vanadiumdioksid på glass (Joule 10.1016 / j.joule.2018.06.018), men andre materialer som perovskitter kan også brukes (J. App. Energi 254 113690). Disse materialene gjennomgår en faseovergang, og blir mer eller mindre gjennomsiktige etter hvert som temperaturen endres, en effekt som kan justeres for ulike forhold.
Mens vanadiumdioksid viser mye lovende for smarte vinduer, er det hindringer å overvinne. På grunn av sin sterke absorpsjon, gir vanadiumdioksid en ubehagelig brungul fargetone, og ytterligere arbeid er nødvendig med miljøstabilitet (Adv. Manuf. 6 1). En fersk gjennomgang antyder også at selv om disse teknologiene kan gi betydelige energibesparelser, er det nødvendig med mer forskning på bruken og virkningen i virkelige omgivelser. For eksempel har energiytelsen til termokrome vinduer vist seg å variere mye mellom forskjellige byer som bruker samme filmtype, men langt mindre mellom forskjellige filmtyper brukt i samme by (J. App. Energi 255 113522).
Men høyteknologisk glass slutter ikke med smarte vinduer. Forskere har funnet ut at hvis de tilsetter flere uvanlige metaller til glass, kan det bidra til å beskytte solcellepaneler og gjøre dem mer effektive (se boks: Forbedring av solcelleglass). Bioaktivt glass kan i mellomtiden hjelpe oss med å gjenoppbygge bein og annet vev (se boks: Fiksering av bein og annet vev), mens nye etseprosesser kan tillate oss å legge til flere funksjoner til glass uten behov for overflatebelegg (se boks: Antirefleks , selvrensende og antibakteriell). Og selv om det ikke er tradisjonelle optiske briller, kan nye faseendringsmaterialer bidra til å skape lettere og mer kompakte optiske systemer (se boks: Ikke-mekanisk kontroll av lys). Endelig kan glass en dag til og med kunne helbrede seg selv (se boks: Udødelig glass).
Forbedring av fotovoltaisk dekkglass
Det kan virke overraskende, men ikke alt sollys er bra for solceller. Mens fotovoltaiske enheter konverterer infrarødt og synlig lys til elektrisk energi, skader ultrafiolett (UV) lys dem. Akkurat som et tilfelle av solbrenthet, påvirker UV-lys negativt de karbonbaserte polymerene som brukes i organiske fotovoltaiske celler. Forskere har funnet ut at skaden fra UV-lys gjør det organiske halvlederlaget mer elektrisk motstandsdyktig, noe som reduserer strømstrømmen og cellens totale effektivitet.
Dette problemet er ikke begrenset til organiske celler. UV-lys hemmer også det mer vanlige silisiumbaserte solcelleanlegget, som består av en stabel med forskjellige materialer. Det silisiumbaserte fotoaktive laget er klemt mellom polymerer som beskytter det mot vanninntrengning, og denne enheten er deretter toppet med et glassdeksel, som ytterligere beskytter den mot elementene samtidig som den slipper inn sollys. Problemet med UV-lys er at det skader polymerene, slik at vann kan trenge inn og korrodere elektrodene.
Paul Bingham, en ekspert på glass ved Sheffield Hallam University, Storbritannia, forklarer at for å forbedre solcellepaneleffektiviteten "har den overordnede reiseretningen de siste tiårene vært å gjøre glasset klarere og klarere". Dette betyr å fjerne kjemikalier som farger glasset, for eksempel jern, som gir en grønn fargetone. Dessverre, som Bingham forklarer, slipper dette mer UV-lys gjennom, og skader polymeren ytterligere.
Bingham og kollegene hans har derfor gått i den andre retningen – de har dopet glass kjemisk slik at det absorberer skadelig UV-lys, men er gjennomsiktig for det nyttige infrarøde og synlige lyset. Jern er fortsatt ikke et ideelt tilsetningsstoff, siden det absorberer noen synlige og infrarøde bølgelengder, og det samme gjelder andre overgangsmetaller i første rad som krom og kobolt.
I stedet har Binghams team eksperimentert med andre- og tredjerads overgangselementer som normalt ikke vil bli lagt til glass, som niob, tantal og zirkonium, sammen med andre metaller som vismut og tinn. Disse skaper sterk UV-absorpsjon uten noen synlig farge. Når det brukes i dekkglasset, forlenger dette levetiden til solceller og hjelper dem med å opprettholde en høyere effektivitet, slik at de genererer mer strøm lenger.
Prosessen har også en annen fordel. "Det vi har funnet er at mange av dopstoffene absorberer UV-fotoner, mister litt energi og sender dem ut igjen som synlige fotoner, så fluorescerende i utgangspunktet," sier Bingham. De lager nyttige fotoner som kan omdannes til elektrisk energi. I en fersk studie viste forskerne at slike glass kan forbedre effektiviteten til solcellemoduler med opptil 8 % sammenlignet med standard dekkglass (Prog. innen solcelleanlegg 10.1002/pip.3334).
Fiksering av bein og annet vev
I 1969 lette biomedisinsk ingeniør Larry Hench, fra University of Florida, etter et materiale som kunne binde seg til bein uten å bli avvist av menneskekroppen. Mens han jobbet med et forslag til US Army Medical Research and Design Command, innså Hench at det var behov for et nytt materiale som kunne danne et levende bånd med vev i kroppen, uten å bli avvist, som ofte er tilfellet med metall. og plastimplantater. Han syntetiserte til slutt Bioglass 45S5, en spesiell sammensetning av bioaktivt glass som nå er varemerkebeskyttet av University of Florida.
En spesifikk kombinasjon av natriumoksid, kalsiumoksid, silisiumdioksid og fosforpentoksid, bioaktivt glass brukes nå som en ortopedisk behandling for å gjenopprette skadet bein og reparere beindefekter. "Bioaktivt glass er et materiale som du putter inn i kroppen og det begynner å løse seg opp, og mens det gjør det forteller det faktisk celler og bein å bli mer aktive og produsere nytt bein," sier Julian Jones, en ekspert på materialet, fra Imperial College London, Storbritannia.
Jones forklarer at det er to hovedgrunner til at glasset fungerer så bra. For det første, når det løses opp, danner det et overflatelag av hydroksykarbonatapatitt, som ligner mineralet i bein. Dette betyr at det samhandler med bein og at kroppen ser det som et innfødt, snarere enn fremmed, objekt. For det andre, når det løses opp, frigjør glasset ioner som signaliserer celler til å produsere nytt bein.
Klinisk brukes bioaktivt glass hovedsakelig som et pulver som formes til en kitt og deretter dyttes inn i beindefekten, men Jones og kollegene hans har jobbet med 3D-printede stillaslignende materialer for større strukturelle reparasjoner. Dette er uorganisk-organiske hybrider av bioaktivt glass og polymer som de refererer til som sprettende Bioglass. Den 3D-printede arkitekturen gir gode mekaniske egenskaper, men også en struktur som oppmuntrer celler til å vokse på riktig måte. Faktisk har Jones funnet ut at ved å endre porestørrelsen på stillaset, kan benmargsstamceller oppmuntres til å vokse enten bein eller brusk. "Vi har hatt en enorm suksess med spenstig Bioglass brusk," sier Jones.
Bioaktivt glass brukes også til å regenerere kroniske sår, slik som de forårsaket av diabetiske sår. Forskning har vist at bomullsull som glassbandasjer kan helbrede sår, som diabetiske fotsår, som ikke har respondert på andre behandlinger (Int. Sår J. 19 791).
Men Jones sier at den vanligste bruken av bioaktivt glass er i noen sensitive tannkremer, der det gir naturlig mineralisering av tenner. "Du har følsomme tenner fordi du har tubuli som går inn i nervehulen i midten av tannen, så hvis du mineraliserer disse tubuli er det ingen vei inn i pulpahulen," forklarer han.
Antirefleks, selvrensende og antibakteriell
Ved University College London har forskere etset nanoskalastrukturer inn i overflaten av glass for å gi det flere forskjellige funksjoner. Lignende teknikker har vært prøvd tidligere, men det har vist seg utfordrende og komplisert å strukturere glassoverflaten med fine nok detaljer. Nanoingeniør Ioannis Papakonstantinou og hans kolleger har imidlertid nylig utviklet en ny litografiprosess som lar dem detaljere glass med nanoskala presisjon (Adv. Mater. 33 2102175).
Inspirert av møll som bruker lignende strukturer for optisk og akustisk kamuflasje, graverte forskerne en glassoverflate med en rekke sub-bølgelengde, nanoskala kjegler for å redusere dens refleksjonsevne. De fant at denne strukturerte overflaten reflekterte mindre enn 3 % av lyset, mens et kontrollglass reflekterte rundt 7 %. Papakonstantinou forklarer at nanokonene hjelper til med å bygge bro mellom brytningsindeksen til glassoverflaten og luftens brytningsindeks, ved å jevne ut den vanligvis brå overgangen mellom luft og glass. Dette reduserer spredning og dermed mengden lys som reflekteres fra overflaten.
Overflaten er også superhydrofob, og avviser vanndråper og oljer slik at de spretter av luftputer som er fanget i nanostrukturene. Når dråpene ruller av, plukker de opp forurensninger og skitt, noe som gjør glasset selvrensende, som Papakonstantinou forklarer. Og som en siste fordel, sliter bakterier med å overleve på glasset, med de skarpe kjeglene som gjennomborer cellemembranene deres. Fokuserer på Staphylococcus aureus – bakteriene som forårsaker staph-infeksjoner – skanningelektronmikroskopi har vist at 80 % av bakteriene som setter seg på overflaten dør, mot rundt 10 % på standardglass. Ifølge forskerne er dette den første demonstrasjonen av en antibakteriell glassoverflate.
Ikke-mekanisk kontroll av lys
Lys styres vanligvis i optiske systemer av bevegelige deler, for eksempel en linse som kan manipuleres for å endre lysets brennpunkt eller styre en stråle. Men en ny klasse faseendringsmaterialer (PCM) kan endre egenskapene til optiske komponenter uten noen mekanisk intervensjon.
En PCM kan bytte mellom å ha en organisert krystallinsk struktur til å være amorf og glasslignende når en eller annen form for energi, for eksempel en elektrisk strøm, påføres. Slike materialer har lenge vært brukt til å lagre data på optiske plater, med de to fasene som representerer de to binære tilstandene. Men disse materialene har egentlig ikke blitt brukt i optikk utover slike applikasjoner, fordi en av fasene er normalt ugjennomsiktig.
Nylig har imidlertid forskere i USA laget en ny klasse PCM basert på elementene germanium, antimon, selen og tellur, kjent som GSST (Nature Comms 10 4279). De oppdaget at mens både de glassaktige og krystallinske tilstandene til disse materialene er gjennomsiktige for infrarødt lys, har de vidt forskjellige brytningsindekser. Dette kan utnyttes til å lage rekonfigurerbar optikk som kan kontrollere infrarødt lys.
Juejun Hu, en materialforsker ved Massachusetts Institute of Technology, sier at i stedet for å ha en optisk enhet med én applikasjon, kan du programmere den til å ha flere forskjellige funksjoner. "Du kan til og med bytte fra en linse til et diffraksjonsgitter eller et prisme," forklarer han.
Egenskapene til PCM-er utnyttes best, sier Hu, ved å lage optiske metamaterialer, der nanoskala, sub-bølgelengdestrukturer er formet på overflaten og hver er innstilt til å samhandle med lys på en bestemt måte for å skape en ønsket effekt, for eksempel fokusering en lysstråle. Når en elektrisk strøm påføres materialet, endres måten overflatens nanostrukturer samhandler med lyset når materialets tilstand og brytningsindeks skifter.
Teamet har allerede demonstrert at det kan lage elementer som zoomlinser og optiske lukkere som raskt kan slå av en lysstråle. Kathleen Richardson, en ekspert på optiske materialer og fotonikk ved University of Central Florida, som jobbet med Hu på GSST-materialene, sier at disse materialene kan forenkle og redusere størrelsen på sensorer og andre optiske enheter. De vil gjøre det mulig å kombinere flere optiske mekanismer, redusere antall individuelle deler og fjerne behovet for forskjellige mekaniske elementer. "Flere funksjoner i samme komponent gjør plattformen mindre, mer kompakt og lettere," forklarer Richardson.
Udødelig glass
"Du kan bøye fysikkens lover, men du kan ikke bryte dem," sier Paul Bingham, som spesialiserer seg på briller og keramikk ved Sheffield Hallam University, Storbritannia. "Glass er i bunn og grunn et sprøtt materiale, og hvis du bruker nok kraft over en liten nok del av glasset, vil det gå i stykker." Likevel er det forskjellige måter å forbedre ytelsen deres på.
Tenk på mobiltelefoner. De fleste smarttelefonskjermer er laget av kjemisk herdet glass, med det vanligste Gorilla glass. Dette sterke, ripebestandige, men tynne glasset ble utviklet av Corning på 2000-tallet og kan nå finnes i rundt fem milliarder smarttelefoner, nettbrett og andre elektroniske enheter. Men kjemisk forsterket glass er ikke helt uknuselig. Faktisk er Binghams telefonskjerm ødelagt. "Jeg slapp den en gang og så slapp jeg den igjen, og den landet på nøyaktig samme punkt, og det var game over," sier han.
For å forbedre holdbarheten til glassskjermer ytterligere, har Bingham jobbet med et prosjekt med tittelen "Manufacturing Immortality" med polymerforskere ved Northumbria University, ledet av kjemiker Justin Perry, som har utviklet selvhelbredende polymerer. Hvis du kutter disse selvhelbredende polymerene i to og deretter skyver delene sammen, vil de med tiden gå sammen igjen. Forskerne har eksperimentert med å påføre belegg av slike materialer på glass.
Hvis du bruker nok kraft, vil disse skjermene fortsatt gå i stykker, men hvis du mister en og knekker polymerlaget, kan den selvhelbrede seg. Dette vil skje under omgivelsesforhold, romtemperatur, selv om å varme dem opp litt, for eksempel ved å la dem være et varmt sted, kan fremskynde prosessen. "Det handler om å forbedre levetiden til produktene, gjøre dem mer bærekraftige og gjøre dem mer motstandsdyktige," sier Bingham. Og det kan være nyttig for mange produkter som bruker glass som et beskyttende lag, ikke bare smarttelefoner.
