Desde consertar ossos até criar superfícies antibacterianas, Michael Allen conversa com os pesquisadores que fazem vidro com funcionalidade e desempenho adicionais
O vidro é onipresente na vida cotidiana. Sendo altamente transparente, estável e durável, é um material importante para uma infinidade de aplicações, desde simples janelas a telas sensíveis ao toque em nossos gadgets mais recentes, até componentes fotônicos para sensores de alta tecnologia.
Os vidros mais comuns são feitos de sílica, cal e soda. Mas durante séculos foram adicionados ingredientes adicionais ao vidro para conferir propriedades como cor e resistência ao calor. E os investigadores continuam a trabalhar no vidro, procurando dar-lhe mais funcionalidade e melhorar o seu desempenho para tarefas específicas, criando vidros cada vez mais de alta tecnologia e o que poderia ser chamado de vidro “inteligente”.
Os materiais inteligentes não são fáceis de definir, mas em termos gerais são concebidos para responder de uma forma específica a estímulos externos. Em termos de vidro, a aplicação “inteligente” mais óbvia é para janelas – em particular, controlar a quantidade de luz que passa através do vidro. Desta forma podemos aumentar a eficiência energética de qualquer edifício: reduzindo o calor no verão, mantendo-o aquecido nos dias mais frios.
Tensão da janela
A cor ou opacidade de alguns vidros inteligentes pode ser alterada aplicando-se uma voltagem ao material, alterando assim certas propriedades ópticas – como absorção e refletância – de uma forma reversível. Essas janelas inteligentes “eletrocrômicas” podem controlar a transmissão de certas frequências de luz, como ultravioleta ou infravermelha, sob demanda, ou até mesmo bloqueá-las completamente. A aplicação desta tecnologia é popular não apenas em edifícios, mas também em displays eletrônicos e vidros escuros de carros.
Na verdade, as janelas eletrocrômicas estão à frente de outras tecnologias neste campo e já foram comercializadas. Mas apesar de funcionarem bem, eles têm algumas desvantagens óbvias. Eles são bastante complexos e caros, e sua adaptação em edifícios mais antigos geralmente requer a instalação de novas janelas, caixilhos de janelas e conexões elétricas. Eles também não são automáticos – você precisa ligá-los e desligá-los.
Para resolver alguns desses problemas, os pesquisadores têm trabalhado em janelas termocrômicas, que são acionadas por mudanças de temperatura em vez de tensão. Uma grande atração é que são passivos – uma vez instalados, as suas propriedades mudam com a temperatura ambiente, sem necessidade de intervenção humana. O método dominante para criar tais janelas termocrômicas é aplicar uma camada de dióxido de vanádio ao vidro (Joule 10.1016 / j.joule.2018.06.018), mas outros materiais como perovskitas também podem ser usados (J. Aplicativo. Energia 254 113690). Esses materiais passam por uma transição de fase, tornando-se mais ou menos transparentes à medida que a temperatura muda, efeito que pode ser ajustado para diferentes condições.
Embora o dióxido de vanádio seja muito promissor para janelas inteligentes, há obstáculos a superar. Devido à sua forte absorção, o dióxido de vanádio produz uma coloração amarelo-acastanhada desagradável e são necessários mais estudos sobre a estabilidade ambiental (Av. Fabrico. 6 1). Uma análise recente também sugere que, embora estas tecnologias possam proporcionar poupanças de energia significativas, é necessária mais investigação sobre a sua utilização e impacto em ambientes do mundo real. Por exemplo, descobriu-se que o desempenho energético das janelas termocrómicas varia muito entre diferentes cidades que utilizam o mesmo tipo de película, mas muito menos entre diferentes tipos de película utilizados na mesma cidade (J. Aplicativo. Energia 255 113522).
Mas o vidro de alta tecnologia não se esgota nas janelas inteligentes. Os investigadores descobriram que se adicionarem mais metais incomuns ao vidro, isso pode ajudar a proteger os painéis solares e torná-los mais eficientes (ver caixa: Melhorar a cobertura de vidro fotovoltaica). Enquanto isso, o vidro bioativo pode nos ajudar a regenerar ossos e outros tecidos (veja o quadro: Fixação de ossos e outros tecidos), enquanto novos processos de gravação podem nos permitir adicionar múltiplas funções ao vidro sem a necessidade de revestimentos de superfície (ver o quadro: Anti-reflexo , autolimpante e antibacteriano). E embora não sejam vidros ópticos tradicionais, novos materiais de mudança de fase poderiam ajudar a criar sistemas ópticos mais leves e compactos (ver quadro: Controle não mecânico da luz). Finalmente, o vidro poderá um dia ser capaz de curar a si mesmo (ver quadro: Vidro Imortal).
Melhorando o vidro de cobertura fotovoltaico
Pode parecer surpreendente, mas nem toda a luz solar é boa para as células solares. Enquanto as unidades fotovoltaicas convertem a luz infravermelha e visível em energia elétrica, a luz ultravioleta (UV) as danifica. Tal como num caso de queimadura solar, a luz UV tem um impacto negativo nos polímeros à base de carbono utilizados nas células fotovoltaicas orgânicas. Os pesquisadores descobriram que os danos causados pela luz UV tornam a camada semicondutora orgânica mais resistente eletricamente, reduzindo o fluxo de corrente e a eficiência geral da célula.
Este problema não se limita às células orgânicas. A luz UV também prejudica a energia fotovoltaica mais comum à base de silício, que consiste em uma pilha de materiais diferentes. A camada fotoativa à base de silício é imprensada entre polímeros que a protegem da entrada de água, e esta unidade é então coberta com uma tampa de vidro, que a protege ainda mais das intempéries, permitindo a passagem da luz solar. O problema da luz UV é que ela danifica os polímeros, permitindo que a água penetre e corroa os eletrodos.
Paulo Bingham, especialista em vidro da Universidade Sheffield Hallam, no Reino Unido, explica que, para melhorar a eficiência dos painéis solares, “a direção predominante do movimento nas últimas décadas tem sido tornar o vidro cada vez mais transparente”. Isso significa remover produtos químicos que colorem o vidro, como o ferro, que produz uma tonalidade verde. Infelizmente, como explica Bingham, isso permite a passagem de mais luz UV, danificando ainda mais o polímero.
Bingham e seus colegas têm, portanto, ido na outra direção – eles têm dopado quimicamente o vidro de modo que ele absorva a luz ultravioleta prejudicial, mas seja transparente à útil luz infravermelha e visível. O ferro ainda não é um aditivo ideal, pois absorve alguns comprimentos de onda visíveis e infravermelhos, e o mesmo se aplica a outros metais de transição de primeira linha, como o cromo e o cobalto.
Em vez disso, a equipe de Bingham tem feito experiências com elementos de transição de segunda e terceira fileiras que normalmente não seriam adicionados ao vidro, como nióbio, tântalo e zircônio, juntamente com outros metais como bismuto e estanho. Eles criam forte absorção de UV sem qualquer coloração visível. Quando usado na cobertura de vidro, prolonga a vida útil da energia fotovoltaica e ajuda-a a manter uma maior eficiência, gerando mais eletricidade por mais tempo.
O processo também traz outro benefício. “O que descobrimos é que muitos dos dopantes absorvem fótons UV, perdem um pouco de energia e depois os reemitem como fótons visíveis, basicamente fluorescência”, diz Bingham. Eles criam fótons úteis que podem ser convertidos em energia elétrica. Num estudo recente, os investigadores mostraram que esses vidros podem melhorar a eficiência dos módulos solares em até cerca de 8%, em comparação com o vidro de cobertura padrão (Programa. em Fotovoltaica 10.1002/pip.3334).
Consertando ossos e outros tecidos
Em 1969, o engenheiro biomédico Larry Hench, da Universidade da Flórida, procurava um material que pudesse se ligar ao osso sem ser rejeitado pelo corpo humano. Enquanto trabalhava em uma proposta para o Comando de Pesquisa e Design Médico do Exército dos EUA, Hench percebeu que havia necessidade de um novo material que pudesse formar uma ligação viva com os tecidos do corpo, sem ser rejeitado, como costuma acontecer com o metal. e implantes plásticos. Ele finalmente sintetizou o Bioglass 45S5, uma composição específica de vidro bioativo que agora é marca registrada da Universidade da Flórida.
Uma combinação específica de óxido de sódio, óxido de cálcio, dióxido de silício e pentóxido de fósforo, o vidro bioativo é agora usado como tratamento ortopédico para restaurar ossos danificados e reparar defeitos ósseos. “O vidro bioativo é um material que você coloca no corpo e começa a se dissolver e, ao fazê-lo, diz às células e aos ossos para ficarem mais ativos e produzirem novo osso”, diz Julian Jones, especialista no material, do Imperial College London, Reino Unido.
Jones explica que há duas razões principais pelas quais o vidro funciona tão bem. Primeiro, à medida que se dissolve, forma uma camada superficial de hidroxicarbonato apatita, que é semelhante ao mineral do osso. Isso significa que ele interage com o osso e o corpo o vê como um objeto nativo, e não como estranho. Em segundo lugar, à medida que se dissolve, o vidro liberta iões que sinalizam às células para produzirem novo osso.
Clinicamente, o vidro bioativo é usado principalmente como um pó que é transformado em massa e depois empurrado para dentro do defeito ósseo, mas Jones e seus colegas têm trabalhado em materiais semelhantes a andaimes impressos em 3D para reparos estruturais maiores. Estes são híbridos inorgânico-orgânicos de vidro bioativo e polímero que eles chamam de Biovidro saltitante. A arquitetura impressa em 3D oferece boas propriedades mecânicas, mas também uma estrutura que estimula o crescimento das células da maneira correta. Na verdade, Jones descobriu que, ao alterar o tamanho dos poros da estrutura, as células-tronco da medula óssea podem ser estimuladas a desenvolver osso ou cartilagem. “Tivemos muito sucesso com a cartilagem saltitante de Bioglass”, diz Jones.
O vidro bioativo também está sendo utilizado para regenerar feridas crônicas, como as causadas por úlceras diabéticas. A pesquisa mostrou que o algodão, assim como os curativos de vidro, podem curar feridas, como úlceras de pé diabético, que não responderam a outros tratamentos (Interno. Ferida J. 19 791).
Mas Jones diz que o uso mais comum do vidro bioativo é em alguns cremes dentais sensíveis, onde estimula a mineralização natural dos dentes. “Você tem dentes sensíveis porque tem túbulos que vão para a cavidade nervosa no centro do dente, então se você mineralizar esses túbulos não há como entrar na cavidade pulpar”, explica ele.
Antirreflexo, autolimpante e antibacteriano
Na University College London, os pesquisadores têm gravado estruturas em nanoescala na superfície do vidro para dar-lhe múltiplas funções diferentes. Técnicas semelhantes foram tentadas no passado, mas revelou-se desafiador e complicado estruturar a superfície do vidro com detalhes suficientemente finos. Nanoengenheiro Ioannis Papakonstantinou e seus colegas, no entanto, desenvolveram recentemente um novo processo de litografia que lhes permite detalhar o vidro com precisão em nanoescala (Adv. Mate. 33 2102175).
Inspirados em mariposas que usam estruturas semelhantes para camuflagem óptica e acústica, os pesquisadores gravaram uma superfície de vidro com uma série de cones em nanoescala de sub-comprimentos de onda para reduzir sua refletividade. Eles descobriram que esta superfície estruturada refletia menos de 3% da luz, enquanto um vidro de controle refletia cerca de 7%. Papakonstantinou explica que os nanocones ajudam a colmatar as mudanças entre o índice de refração da superfície do vidro e o do ar, suavizando a transição geralmente abrupta do ar para o vidro. Isso reduz a dispersão e, portanto, a quantidade de luz que é refletida na superfície.
A superfície também é superhidrofóbica, repelindo gotículas de água e óleos, fazendo-as ricochetear nas almofadas de ar presas nas nanoestruturas. À medida que as gotas rolam, elas acumulam contaminantes e sujeira, tornando o vidro autolimpante, como explica Papakonstantinou. E como benefício final, as bactérias lutam para sobreviver no vidro, com os cones pontiagudos perfurando as membranas celulares. Focando em Staphylococcus aureus – as bactérias que causam infecções por estafilococos – a microscopia eletrônica de varredura mostrou que 80% das bactérias que se instalam na superfície morrem, em comparação com cerca de 10% no vidro padrão. Segundo os pesquisadores, esta é a primeira demonstração de uma superfície de vidro antibacteriana.
Controle não mecânico de luz
A luz é geralmente controlada em sistemas ópticos por peças móveis, como uma lente que pode ser manipulada para alterar o ponto focal da luz ou direcionar um feixe. Mas uma nova classe de materiais de mudança de fase (PCMs) poderia alterar as propriedades dos componentes ópticos sem qualquer intervenção mecânica.
Um PCM pode alternar entre ter uma estrutura cristalina organizada e ser amorfa e semelhante a vidro quando alguma forma de energia, como uma corrente elétrica, é aplicada. Esses materiais têm sido usados há muito tempo para armazenar dados em discos ópticos, com as duas fases representando os dois estados binários. Mas esses materiais não têm sido realmente utilizados em óptica além dessas aplicações, porque uma das fases normalmente é opaca.
Recentemente, porém, pesquisadores nos EUA criaram uma nova classe de PCMs baseada nos elementos germânio, antimônio, selênio e telúrio, conhecida como GSST (Comunicações da natureza 10 4279). Eles descobriram que, embora os estados vítreo e cristalino desses materiais sejam transparentes à luz infravermelha, eles têm índices de refração muito diferentes. Isso pode ser explorado para criar óptica reconfigurável que pode controlar a luz infravermelha.
Juejun Hu, cientista de materiais do Instituto de Tecnologia de Massachusetts, diz que em vez de ter um dispositivo óptico com uma aplicação, você pode programá-lo para ter diversas funções diferentes. “Você pode até mudar de uma lente para uma rede de difração ou um prisma”, explica ele.
As propriedades dos PCMs são melhor utilizadas, diz Hu, através da criação de metamateriais ópticos, nos quais estruturas em nanoescala e subcomprimentos de onda são formadas na superfície e cada uma é ajustada para interagir com a luz de uma maneira específica para criar um efeito desejado, como foco. um feixe de luz. Quando uma corrente elétrica é aplicada ao material, a forma como as nanoestruturas da superfície interagem com a luz muda à medida que o estado do material e o índice de refração mudam.
A equipe já demonstrou que pode criar elementos como lentes de zoom e obturadores ópticos que podem desligar rapidamente um feixe de luz. Kathleen Richardson, especialista em materiais ópticos e fotônica da Universidade da Flórida Central, que trabalhou com Hu nos materiais GSST, diz que esses materiais poderiam simplificar e reduzir o tamanho dos sensores e outros dispositivos ópticos. Eles permitiriam a combinação de vários mecanismos ópticos, reduzindo o número de peças individuais e eliminando a necessidade de vários elementos mecânicos. “Múltiplas funções no mesmo componente tornam a plataforma menor, mais compacta e mais leve”, explica Richardson.
Vidro imortal
“Podemos violar as leis da física, mas não podemos quebrá-las”, diz Paul Bingham, especialista em vidros e cerâmica na Universidade Sheffield Hallam, no Reino Unido. “Fundamentalmente, o vidro é um material quebradiço e se você aplicar força suficiente sobre uma parte pequena do vidro, ele quebrará.” Ainda assim, existem várias maneiras de melhorar seu desempenho.
Considere os telefones celulares. A maioria das telas de smartphones é feita de vidro quimicamente temperado, sendo o mais comum Gorilla Glass. Desenvolvido pela Corning na década de 2000, este vidro forte, resistente a riscos, mas fino, pode agora ser encontrado em cerca de cinco mil milhões de smartphones, tablets e outros dispositivos eletrónicos. Mas o vidro reforçado quimicamente não é completamente inquebrável. Na verdade, a tela do telefone de Bingham está quebrada. “Eu deixei cair uma vez e depois deixei cair novamente e ele caiu exatamente no mesmo ponto e o jogo acabou”, diz ele.
Para melhorar ainda mais a durabilidade das telas de vidro, Bingham tem trabalhado em um projeto intitulado “Manufacturing Immortality” com cientistas de polímeros da Northumbria University, liderados pelo químico Justin Perry, que desenvolveram polímeros autocurativos. Se você cortar esses polímeros autocurativos ao meio e depois juntar os pedaços, eles, com o tempo, se unirão novamente. Os pesquisadores têm feito experiências com a aplicação de revestimentos desses materiais no vidro.
Se você aplicar força suficiente, essas telas ainda vão quebrar, mas se você deixar cair uma e quebrar a camada de polímero, ela poderá se autocurar. Isto acontecerá em condições de temperatura ambiente, embora aquecê-los um pouco, deixando-os em algum lugar quente, por exemplo, possa acelerar o processo. “Trata-se de melhorar a vida útil dos produtos, tornando-os mais sustentáveis e mais resilientes”, diz Bingham. E pode ser útil para muitos produtos que usam vidro como camada protetora, não apenas para smartphones.
