Od mocowania kości po tworzenie powierzchni antybakteryjnych, Michael Allen rozmawia z naukowcami produkującymi szkło, które ma dodatkową funkcjonalność i wydajność
Szkło jest wszechobecne w życiu codziennym. Ponieważ jest wysoce przezroczysty, stabilny i trwały, jest ważnym materiałem do niezliczonych zastosowań, od prostych okienek po ekrany dotykowe w naszych najnowszych gadżetach, po komponenty fotoniczne do zaawansowanych technologicznie czujników.
Najpopularniejsze szklanki są wykonane z krzemionki, wapna i sody. Jednak od wieków do szkła dodawano dodatkowe składniki, aby nadać mu takie właściwości, jak kolor i odporność na ciepło. A naukowcy wciąż pracują nad szkłem, starając się nadać mu dalszą funkcjonalność i poprawić jego wydajność do określonych zadań, tworząc coraz bardziej zaawansowane technologicznie szkło i to, co można by określić mianem „inteligentnego” szkła.
Inteligentne materiały nie są łatwe do zdefiniowania, ale ogólnie rzecz biorąc są zaprojektowane tak, aby reagować w określony sposób na bodźce zewnętrzne. Jeśli chodzi o szkło, najbardziej oczywistym „inteligentnym” zastosowaniem są okna – w szczególności kontrolowanie ilości światła przechodzącego przez szkło. W ten sposób możemy zwiększyć efektywność energetyczną każdego budynku: zmniejszając ciepło latem, jednocześnie utrzymując ciepło w chłodniejsze dni.
Napięcie okna
Kolor lub nieprzezroczystość niektórych inteligentnych szkieł można zmienić poprzez przyłożenie napięcia do materiału, zmieniając w ten sposób pewne właściwości optyczne – takie jak absorpcja i współczynnik odbicia – w sposób odwracalny. Takie „elektrochromowe” inteligentne okna mogą na żądanie kontrolować przepuszczalność określonych częstotliwości światła, takich jak ultrafiolet lub podczerwień, a nawet całkowicie je blokować. Zastosowanie tej technologii jest popularne nie tylko w budynkach, ale także w wyświetlaczach elektronicznych i przyciemnianych szybach samochodowych.
Rzeczywiście, okna elektrochromowe wyprzedzają inne technologie w tej dziedzinie i zostały już skomercjalizowane. Ale pomimo tego, że działają dobrze, mają pewne oczywiste wady. Są one dość skomplikowane i drogie, a doposażanie ich w starsze budynki wymaga zazwyczaj zainstalowania nowych okien, stolarki okiennej i przyłączy elektrycznych. Nie są też automatyczne – trzeba je włączać i wyłączać.
Aby rozwiązać niektóre z tych problemów, naukowcy pracowali nad oknami termochromowymi, które są wyzwalane przez zmiany temperatury zamiast napięcia. Dużą atrakcją jest to, że są pasywne – po zainstalowaniu ich właściwości zmieniają się wraz z temperaturą otoczenia, bez konieczności ingerencji człowieka. Dominującą metodą tworzenia takich termochromowych okien jest nakładanie powłoki dwutlenku wanadu na szkło (Dżul 10.1016 / j.joule.2018.06.018), ale można również użyć innych materiałów, takich jak perowskity (J. App. Energia 254 113690). Materiały te przechodzą przemianę fazową, stając się mniej lub bardziej przezroczysta wraz ze zmianą temperatury, efekt, który można dostosować do różnych warunków.
Chociaż dwutlenek wanadu jest obiecujący dla inteligentnych okien, istnieją przeszkody do pokonania. Ze względu na silne wchłanianie dwutlenek wanadu daje nieprzyjemny brązowo-żółty odcień i konieczne są dalsze prace nad stabilnością środowiskową (Przysł. Producent 6 1). Niedawny przegląd sugeruje również, że chociaż technologie te mogą zapewnić znaczne oszczędności energii, potrzebne są dalsze badania nad ich wykorzystaniem i wpływem w warunkach rzeczywistych. Na przykład stwierdzono, że wydajność energetyczna okien termochromowych różni się znacznie w różnych miastach stosujących ten sam rodzaj folii, ale znacznie mniej w przypadku różnych rodzajów folii stosowanych w tym samym mieście (J. App. Energia 255 113522).
Ale nowoczesne szkło nie kończy się na inteligentnych oknach. Naukowcy odkryli, że dodanie do szkła więcej nietypowych metali może pomóc chronić panele słoneczne i zwiększyć ich wydajność (patrz ramka: Ulepszanie fotowoltaicznego szkła osłonowego). Tymczasem szkło bioaktywne może nam pomóc w odbudowie kości i innych tkanek (patrz ramka: Mocowanie kości i innych tkanek), podczas gdy nowe procesy trawienia mogą pozwolić nam na dodanie wielu funkcji do szkła bez konieczności nakładania powłok powierzchniowych (patrz ramka: Antyrefleks , samoczyszczące i antybakteryjne). I chociaż nie są to tradycyjne szkła optyczne, nowe materiały zmieniające fazę mogą pomóc w tworzeniu lżejszych i bardziej kompaktowych systemów optycznych (patrz ramka: Niemechaniczna kontrola światła). Wreszcie szkło może pewnego dnia być w stanie samo się wyleczyć (patrz ramka: Nieśmiertelne szkło).
Poprawa fotowoltaicznej szyby osłonowej
Może się to wydawać zaskakujące, ale nie każde światło słoneczne jest dobre dla ogniw słonecznych. Podczas gdy jednostki fotowoltaiczne przekształcają światło podczerwone i widzialne w energię elektryczną, światło ultrafioletowe (UV) je uszkadza. Podobnie jak w przypadku oparzeń słonecznych, światło UV negatywnie wpływa na polimery węglowe stosowane w organicznych ogniwach fotowoltaicznych. Naukowcy odkryli, że uszkodzenia powodowane przez światło UV sprawiają, że warstwa półprzewodników organicznych jest bardziej odporna elektrycznie, co zmniejsza przepływ prądu i ogólną wydajność ogniwa.
Ten problem nie ogranicza się do komórek organicznych. Światło UV hamuje również bardziej powszechną fotowoltaikę na bazie krzemu, która składa się ze stosu różnych materiałów. Warstwa fotoaktywna na bazie krzemu jest umieszczona pomiędzy polimerami, które chronią ją przed wnikaniem wody, a następnie ta jednostka jest pokryta szklaną pokrywą, która dodatkowo chroni ją przed czynnikami zewnętrznymi, jednocześnie przepuszczając światło słoneczne. Problem ze światłem UV polega na tym, że uszkadza ono polimery, umożliwiając przenikanie wody i korodowanie elektrod.
Paula Binghama, ekspert w dziedzinie szkła z Sheffield Hallam University w Wielkiej Brytanii, wyjaśnia, że w celu poprawy wydajności paneli słonecznych „nadrzędnym kierunkiem podróży w ciągu ostatnich kilku dekad było zwiększenie przejrzystości szkła”. Oznacza to usunięcie chemikaliów barwiących szkło, takich jak żelazo, które daje zielony odcień. Niestety, jak wyjaśnia Bingham, przepuszcza to więcej światła UV, dodatkowo uszkadzając polimer.
Bingham i jego koledzy poszli zatem w innym kierunku – chemicznie domieszkują szkło, które pochłania szkodliwe światło UV, ale jest przezroczyste dla użytecznego światła podczerwonego i widzialnego. Żelazo nadal nie jest idealnym dodatkiem, ponieważ pochłania niektóre długości fal widzialnych i podczerwonych, podobnie jak inne metale przejściowe pierwszego rzędu, takie jak chrom i kobalt.
Zamiast tego zespół Binghama eksperymentował z pierwiastkami przejściowymi drugiego i trzeciego rzędu, które normalnie nie byłyby dodawane do szkła, takimi jak niob, tantal i cyrkon, wraz z innymi metalami, takimi jak bizmut i cyna. Tworzą one silną absorpcję UV bez widocznych przebarwień. W przypadku zastosowania w szkle osłonowym przedłuża to żywotność fotowoltaiki i pomaga im utrzymać wyższą wydajność, dzięki czemu dłużej wytwarzają więcej energii elektrycznej.
Proces ten ma również inną zaletę. „Odkryliśmy, że wiele domieszek absorbuje fotony UV, traci trochę energii, a następnie ponownie emituje je jako widzialne fotony, czyli w zasadzie fluorescencję” – mówi Bingham. Tworzą użyteczne fotony, które można przekształcić w energię elektryczną. W niedawnym badaniu naukowcy wykazali, że takie szkła mogą poprawić wydajność modułów słonecznych nawet o około 8% w porównaniu ze standardowym szkłem osłonowym (Wałówka. w Fotowoltaice 10.1002/pip.3334).
Naprawianie kości i innych tkanek
W 1969 inżynier biomedyczny Larry Hench z University of Florida szukał materiału, który mógłby wiązać się z kością bez odrzucania go przez organizm ludzki. Pracując nad propozycją dla Dowództwa Badań Medycznych Armii Stanów Zjednoczonych i Projektowania, Hench zdał sobie sprawę, że istnieje zapotrzebowanie na nowy materiał, który mógłby stworzyć żywą więź z tkankami w ciele, nie będąc jednocześnie odrzucanym, jak to często ma miejsce w przypadku metalu. oraz plastikowe implanty. W końcu zsyntetyzował Bioglass 45S5, szczególną kompozycję bioaktywnego szkła, która jest obecnie zastrzeżona przez University of Florida.
Bioaktywne szkło, będące specyficzną kombinacją tlenku sodu, tlenku wapnia, dwutlenku krzemu i pięciotlenku fosforu, jest obecnie stosowane w leczeniu ortopedycznym w celu odbudowy uszkodzonej kości i naprawy ubytków kostnych. „Szkło bioaktywne to materiał, który wkłada się do organizmu i zaczyna się rozpuszczać, a podczas tego faktycznie mówi komórkom i kościom, aby stały się bardziej aktywne i wytworzyły nową kość”, mówi Juliana Jonesa, ekspert w dziedzinie materiału, z Imperial College London w Wielkiej Brytanii.
Jones wyjaśnia, że są dwa główne powody, dla których szkło działa tak dobrze. Po pierwsze, po rozpuszczeniu tworzy wierzchnią warstwę apatytu hydroksywęglanowego, która jest podobna do minerału w kości. Oznacza to, że wchodzi w interakcję z kością, a ciało postrzega ją jako obiekt rodzimy, a nie obcy. Po drugie, w miarę rozpuszczania szkło uwalnia jony, które sygnalizują komórkom produkcję nowej kości.
Klinicznie, szkło bioaktywne jest używane głównie jako proszek, który jest formowany w kit, a następnie wciskany w ubytek kostny, ale Jones i jego koledzy pracowali nad drukowanymi w 3D materiałami podobnymi do rusztowań do większych napraw strukturalnych. Są to nieorganiczno-organiczne hybrydy bioaktywnego szkła i polimeru, które określają mianem sprężystego bioszkła. Architektura wydrukowana w 3D zapewnia dobre właściwości mechaniczne, ale także strukturę, która zachęca komórki do prawidłowego wzrostu. W rzeczywistości Jones odkrył, że zmieniając rozmiar porów rusztowania, komórki macierzyste szpiku kostnego mogą być zachęcane do wzrostu kości lub chrząstki. „Odnieśliśmy ogromny sukces z sprężystą chrząstką Bioglass” – mówi Jones.
Szkło bioaktywne jest również wykorzystywane do regeneracji ran przewlekłych, takich jak te spowodowane owrzodzeniami cukrzycowymi. Badania wykazały, że opatrunki bawełniane, takie jak opatrunki szklane, mogą leczyć rany, takie jak owrzodzenia stopy cukrzycowej, które nie zareagowały na inne metody leczenia (wewn. Rana J. 19 791).
Ale Jones twierdzi, że szkło bioaktywne najczęściej stosuje się w niektórych wrażliwych pastach do zębów, gdzie powoduje naturalną mineralizację zębów. „Masz wrażliwe zęby, ponieważ masz kanaliki, które wchodzą do jamy nerwowej w środku zęba, więc jeśli zmineralizujesz te kanaliki, nie ma dostępu do jamy miazgi” – wyjaśnia.
Antyrefleksyjna, samoczyszcząca i antybakteryjna
W University College London naukowcy wytrawiają struktury w nanoskali na powierzchni szkła, aby nadać mu wiele różnych funkcji. Podobne techniki były wypróbowywane w przeszłości, ale okazało się trudne i skomplikowane, aby struktura powierzchni szklanej była wystarczająco drobna. Nanoinżynier Ioannisa Papakonstantinou i jego koledzy opracowali jednak niedawno nowy proces litografii, który pozwala im na detalowanie szkła z precyzją w nanoskali (Adv. Matko. 33 2102175).
Zainspirowani ćmami, które wykorzystują podobne struktury do kamuflażu optycznego i akustycznego, naukowcy wygrawerowali szklaną powierzchnię szeregiem stożków o subfalowej długości, w nanoskali, aby zmniejszyć jej odblaskowość. Odkryli, że ta strukturalna powierzchnia odbijała mniej niż 3% światła, podczas gdy szkło kontrolne odbijało około 7%. Papakonstantinou wyjaśnia, że nanostożki pomagają mostkować zmiany między współczynnikiem załamania światła powierzchni szkła a powietrza, wygładzając zwykle nagłe przejście powietrze-szkło. Zmniejsza to rozpraszanie, a tym samym ilość światła, które odbija się od powierzchni.
Powierzchnia jest również superhydrofobowa, odpychając krople wody i olejów, dzięki czemu odbijają się one od poduszek powietrznych uwięzionych w nanostrukturach. Gdy kropelki toczą się, zbierają zanieczyszczenia i brud, dzięki czemu szkło samoczyści się, jak wyjaśnia Papakonstantinou. Ostateczną korzyścią jest to, że bakterie walczą o przetrwanie na szkle, a ostre stożki przebijają ich błony komórkowe. Skupiając się na Staphylococcus aureus – bakterie wywołujące infekcje gronkowcem – skaningowa mikroskopia elektronowa wykazała, że 80% bakterii osadzających się na powierzchni ginie, w porównaniu z około 10% na standardowym szkle. Zdaniem naukowców jest to pierwsza demonstracja antybakteryjnej powierzchni szklanej.
Niemechaniczne sterowanie światłem
Światło jest zwykle kontrolowane w układach optycznych za pomocą ruchomych części, takich jak soczewka, którą można manipulować, aby zmienić ognisko światła lub sterować wiązką. Jednak nowa klasa materiałów o przemianie fazowej (PCM) może zmienić właściwości komponentów optycznych bez jakiejkolwiek mechanicznej ingerencji.
PCM może przełączać się między posiadaniem zorganizowanej struktury krystalicznej a amorficznym i szklistym, gdy zastosowana zostanie jakaś forma energii, taka jak prąd elektryczny. Takie materiały są od dawna używane do przechowywania danych na dyskach optycznych, przy czym dwie fazy reprezentują dwa stany binarne. Ale te materiały nie były tak naprawdę stosowane w optyce poza takimi zastosowaniami, ponieważ jedna z faz jest zwykle nieprzezroczysta.
Ostatnio jednak badacze w USA stworzyli nową klasę PCM opartą na elementach germanu, antymonu, selenu i telluru, znaną jako GSST (Komunikaty natury 10 4279). Odkryli, że chociaż zarówno stan szklisty, jak i krystaliczny tych materiałów są przezroczyste dla światła podczerwonego, mają one bardzo różne współczynniki załamania. Można to wykorzystać do stworzenia rekonfigurowalnej optyki, która może kontrolować światło podczerwone.
Juejun Hu, materiałoznawca z Massachusetts Institute of Technology, mówi, że zamiast mieć urządzenie optyczne z jedną aplikacją, można zaprogramować je tak, aby spełniało kilka różnych funkcji. „Można nawet zmienić soczewkę na siatkę dyfrakcyjną lub pryzmat” — wyjaśnia.
Hu mówi, że najlepiej wykorzystuje się właściwości PCM, tworząc metamateriały optyczne, w których nanoskalowe struktury podfalowe są kształtowane na powierzchni i każda jest dostrojona do interakcji ze światłem w określony sposób, aby uzyskać pożądany efekt, taki jak ogniskowanie. promień światła. Gdy do materiału zostanie doprowadzony prąd elektryczny, sposób, w jaki nanostruktury powierzchni oddziałują ze światłem, zmienia się w miarę zmiany stanu materiału i współczynnika załamania światła.
Zespół już wykazał, że może tworzyć elementy, takie jak obiektywy zmiennoogniskowe i przesłony optyczne, które mogą szybko wyłączyć wiązkę światła. Kathleen Richardson, ekspert w dziedzinie materiałów optycznych i fotoniki z University of Central Florida, który pracował z Hu nad materiałami GSST, twierdzi, że materiały te mogą uprościć i zmniejszyć rozmiary czujników i innych urządzeń optycznych. Umożliwiłyby połączenie wielu mechanizmów optycznych, redukując liczbę pojedynczych części i eliminując potrzebę stosowania różnych elementów mechanicznych. „Wiele funkcji w tym samym komponencie sprawia, że platforma jest mniejsza, bardziej kompaktowa i lżejsza” — wyjaśnia Richardson.
Nieśmiertelne szkło
„Prawa fizyki można naginać, ale nie można ich złamać”, mówi Paul Bingham, który specjalizuje się w szkle i ceramice na Sheffield Hallam University w Wielkiej Brytanii. „Zasadniczo szkło jest materiałem kruchym i jeśli przyłożysz wystarczającą siłę do wystarczająco małej części szkła, pęknie”. Mimo to istnieje wiele sposobów na poprawę ich wydajności.
Rozważ telefony komórkowe. Większość ekranów smartfonów jest wykonana z chemicznie hartowanego szkła, przy czym najczęściej Gorilla Glass. Opracowane przez Corning w 2000 roku, to mocne, odporne na zarysowania, a jednocześnie cienkie szkło można obecnie znaleźć w około pięciu miliardach smartfonów, tabletów i innych urządzeń elektronicznych. Ale szkło wzmacniane chemicznie nie jest całkowicie nietłukące. W rzeczywistości ekran telefonu Binghama jest zepsuty. „Upuściłem go raz, a potem upuściłem go ponownie i wylądował dokładnie w tym samym punkcie i to było koniec gry”, mówi.
Aby jeszcze bardziej poprawić trwałość szklanych ekranów, Bingham pracuje nad projektem zatytułowanym „Manufacturing Immortality” z naukowcami zajmującymi się polimerami z Northumbria University, kierowanym przez chemika Justina Perry'ego, którzy opracowali samonaprawiające się polimery. Jeśli przetniesz te samonaprawiające się polimery na pół, a następnie połączysz je ze sobą, z czasem połączą się z powrotem. Naukowcy eksperymentowali z nakładaniem powłok takich materiałów na szkło.
Jeśli przyłożysz wystarczającą siłę, ekrany nadal będą pękać, ale jeśli upuściłeś jeden i pękłeś warstwę polimeru, może on ulec samoregeneracji. Będzie się to działo w warunkach otoczenia, temperatury pokojowej, chociaż ich lekkie podgrzanie, na przykład pozostawienie ich w ciepłym miejscu, może przyspieszyć ten proces. „Chodzi o poprawę żywotności produktów, uczynienie ich bardziej zrównoważonymi i bardziej odpornymi” – mówi Bingham. Może się przydać w przypadku wielu produktów, które wykorzystują szkło jako warstwę ochronną, a nie tylko smartfonów.
