От фиксации костей до изготовления антибактериальных поверхностей, Майкл Аллен беседует с исследователями, создающими стекло с дополнительными функциями и производительностью
Стекло повсеместно встречается в повседневной жизни. Будучи очень прозрачным, стабильным и долговечным, он является важным материалом для множества применений: от простых окон до сенсорных экранов наших новейших гаджетов и фотонных компонентов для высокотехнологичных датчиков.
Наиболее распространенные стекла изготавливаются из кремнезема, извести и соды. Но на протяжении веков в стекло добавляли дополнительные ингредиенты, чтобы придать ему такие свойства, как цвет и термостойкость. И исследователи все еще работают над стеклом, стремясь придать ему дополнительную функциональность и улучшить его характеристики для конкретных задач, создавая все более высокотехнологичное стекло и то, что можно назвать «умным» стеклом.
Умные материалы нелегко определить, но в целом они предназначены для того, чтобы определенным образом реагировать на внешние раздражители. Что касается стекла, наиболее очевидным «умным» применением являются окна – в частности, контроль количества света, проходящего через стекло. Таким образом, мы можем повысить энергоэффективность любого здания: снизить жару летом и сохранить тепло в холодную погоду.
Окно напряжения
Цвет или непрозрачность некоторых умных стекол можно изменить, приложив к материалу напряжение, тем самым изменяя определенные оптические свойства, такие как поглощение и отражение, обратимым образом. Такие «электрохромные» умные окна могут по требованию контролировать пропускание определенных частот света, например ультрафиолетового или инфракрасного, или даже полностью блокировать их. Применение этой технологии популярно не только в зданиях, но и в электронных дисплеях и тонированных стеклах автомобилей.
Действительно, электрохромные окна опережают другие технологии в этой области и уже коммерциализированы. Но, несмотря на хорошую работу, у них есть некоторые очевидные недостатки. Они довольно сложны и дороги, и для их модернизации старых зданий обычно требуется установка новых окон, оконных рам и электрических соединений. Они также не автоматические – их нужно включать и выключать.
Чтобы решить некоторые из этих проблем, исследователи работают над термохромными окнами, которые вызываются изменениями температуры, а не напряжения. Большим преимуществом является то, что они пассивны: после установки их свойства изменяются в зависимости от температуры окружающей среды, без необходимости вмешательства человека. Доминирующим методом создания таких термохромных окон является нанесение на стекло покрытия из диоксида ванадия (Джоуль 10.1016 / j.joule.2018.06.018), но можно использовать и другие материалы, например перовскиты (Дж. Приложение. Энергия 254 113690). Эти материалы претерпевают фазовый переход, становясь более или менее прозрачными при изменении температуры, и этот эффект можно настроить для разных условий.
Хотя диоксид ванадия обещает многообещающее применение в сфере «умных окон», существуют препятствия, которые необходимо преодолеть. Из-за сильной абсорбции диоксид ванадия дает неприятный коричневато-желтый оттенок и необходимы дальнейшие исследования по экологической устойчивости (Адв. Производитель 6 1). Недавний обзор также показывает, что, хотя эти технологии могут обеспечить значительную экономию энергии, необходимы дополнительные исследования их использования и влияния в реальных условиях. Например, было обнаружено, что энергетические характеристики термохромных окон сильно различаются в разных городах, где используется один и тот же тип пленки, но гораздо меньше – между разными типами пленок, используемыми в одном и том же городе (Дж. Приложение. Энергия 255 113522).
Но высокотехнологичное стекло не заканчивается умными окнами. Исследователи обнаружили, что добавление в стекло большего количества необычных металлов может помочь защитить солнечные панели и сделать их более эффективными (см. вставку «Улучшение фотоэлектрического защитного стекла»). Между тем, биоактивное стекло может помочь нам заново вырастить кость и другие ткани (см. вставку «Фиксация костей и других тканей»), а новые процессы травления могут позволить нам придать стеклу множество функций без необходимости нанесения поверхностных покрытий (см. вставку «Антибликовое покрытие»). , самоочищающийся и антибактериальный). И хотя это не традиционные оптические очки, новые материалы с фазовым переходом могут помочь создать более легкие и компактные оптические системы (см. вставку «Немеханическое управление светом»). Наконец, стекло однажды сможет самовосстанавливаться (см. вставку «Бессмертное стекло»).
Улучшение фотоэлектрического защитного стекла
Это может показаться удивительным, но не весь солнечный свет полезен для солнечных батарей. В то время как фотоэлектрические устройства преобразуют инфракрасный и видимый свет в электрическую энергию, ультрафиолетовый (УФ) свет повреждает их. Как и в случае солнечного ожога, УФ-излучение отрицательно влияет на полимеры на основе углерода, используемые в органических фотоэлектрических элементах. Исследователи обнаружили, что повреждение от ультрафиолетового излучения делает слой органического полупроводника более электрически устойчивым, снижая ток и общую эффективность элемента.
Эта проблема не ограничивается органическими клетками. Ультрафиолетовый свет также мешает более распространенной фотоэлектрической энергии на основе кремния, которая состоит из набора различных материалов. Фотоактивный слой на основе кремния заключен между полимерами, которые защищают его от проникновения воды, а затем этот блок покрывается стеклянной крышкой, которая дополнительно защищает его от непогоды, пропуская солнечный свет. Проблема с УФ-светом заключается в том, что он повреждает полимеры, позволяя воде проникать и разъедать электроды.
Пол Бингхэм, эксперт по стеклу из Университета Шеффилд-Халлам, Великобритания, объясняет, что для повышения эффективности солнечных панелей «основным направлением движения в последние несколько десятилетий было сделать стекло все более прозрачным». Это означает удаление химических веществ, окрашивающих стекло, например железа, придающего зеленый оттенок. К сожалению, как объясняет Бингхэм, это пропускает больше ультрафиолетового света, что еще больше повреждает полимер.
Поэтому Бингхэм и его коллеги пошли в другом направлении – они химически легировали стекло таким образом, чтобы оно поглощало вредный ультрафиолетовый свет, но было прозрачным для полезного инфракрасного и видимого света. Железо по-прежнему не является идеальной добавкой, поскольку оно поглощает некоторые длины волн видимого и инфракрасного диапазона. То же самое справедливо и для других переходных металлов первого ряда, таких как хром и кобальт.
Вместо этого команда Бингама экспериментировала с переходными элементами второго и третьего ряда, которые обычно не добавляются в стекло, такими как ниобий, тантал и цирконий, а также другие металлы, такие как висмут и олово. Они создают сильное поглощение УФ-излучения без какой-либо видимой окраски. При использовании в защитном стекле это продлевает срок службы фотоэлектрических элементов и помогает им поддерживать более высокую эффективность, поэтому они генерируют больше электроэнергии в течение более длительного времени.
У этого процесса есть еще одно преимущество. «Мы обнаружили, что многие из примесей поглощают УФ-фотоны, теряют немного энергии, а затем повторно излучают их в виде видимых фотонов, то есть, по сути, флуоресценции», — говорит Бингхэм. Они создают полезные фотоны, которые можно преобразовать в электрическую энергию. В недавнем исследовании ученые показали, что такие стекла могут повысить эффективность солнечных модулей примерно на 8% по сравнению со стандартным покровным стеклом.Прог. в фотоэлектрике 10.1002/пип.3334).
Фиксация костей и других тканей
В 1969 году биомедицинский инженер Ларри Хенч из Университета Флориды искал материал, который мог бы соединяться с костью, не отторгаясь человеческим организмом. Работая над предложением для Командования медицинских исследований и разработок армии США, Хенч понял, что существует потребность в новом материале, который мог бы образовывать живую связь с тканями организма, при этом не отвергаясь, как это часто бывает с металлом. и пластиковые имплантаты. В конце концов он синтезировал Bioglass 45S5, особую композицию биоактивного стекла, которая теперь зарегистрирована как торговая марка Университета Флориды.
Биоактивное стекло, представляющее собой специфическую комбинацию оксида натрия, оксида кальция, диоксида кремния и пятиокиси фосфора, в настоящее время используется в качестве ортопедического средства для восстановления поврежденной кости и устранения костных дефектов. «Биоактивное стекло — это материал, который вы вводите в организм, и он начинает растворяться, и при этом фактически приказывает клеткам и костям стать более активными и производить новую кость», — говорит Джулиан Джонс, эксперт по материалу, из Имперского колледжа Лондона, Великобритания.
Джонс объясняет, что есть две основные причины, по которым стекло работает так хорошо. Во-первых, при растворении он образует поверхностный слой гидроксикарбонатапатита, который похож на минерал в кости. Это означает, что он взаимодействует с костью, и организм воспринимает его как родной, а не чужеродный объект. Во-вторых, растворяясь, стекло выделяет ионы, которые сигнализируют клеткам о необходимости производства новой кости.
В клинической практике биоактивное стекло в основном используется в виде порошка, который превращается в замазку, а затем вводится в костный дефект, но Джонс и его коллеги работают над материалами, подобными каркасам, напечатанными на 3D-принтере, для более масштабного структурного ремонта. Это неорганически-органические гибриды биоактивного стекла и полимера, которые они называют упругим биостеклом. Архитектура, напечатанная на 3D-принтере, обеспечивает хорошие механические свойства, а также структуру, которая стимулирует правильный рост клеток. Фактически, Джонс обнаружил, что, изменяя размер пор каркаса, можно стимулировать рост стволовых клеток костного мозга либо костей, либо хрящей. «Мы добились огромного успеха с упругим хрящом из биостекла», — говорит Джонс.
Биоактивное стекло также используется для регенерации хронических ран, например, вызванных диабетическими язвами. Исследования показали, что вата, как и стеклянные повязки, может заживлять раны, такие как язвы диабетической стопы, которые не поддаются другим методам лечения.Междунар. Раненый Дж. 19 791).
Но Джонс говорит, что наиболее часто биоактивное стекло используется в некоторых чувствительных зубных пастах, где оно способствует естественной минерализации зубов. «У вас чувствительные зубы, потому что у вас есть канальцы, которые входят в нервную полость в центре зуба, поэтому, если вы минерализуете эти канальцы, пути в полость пульпы не будет», — объясняет он.
Антибликовый, самоочищающийся и антибактериальный.
В Университетском колледже Лондона исследователи выгравировали наноразмерные структуры на поверхности стекла, чтобы придать ему множество различных функций. Подобные методы пробовались и раньше, но оказалось сложно структурировать стеклянную поверхность с достаточно мелкими деталями. Наноинженер Иоаннис Папаконстантину и его коллеги, однако, недавно разработали новый процесс литографии, который позволяет им детализировать стекло с наноразмерной точностью.Adv. Матер. 33 2102175).
Вдохновленные мотыльками, которые используют аналогичные структуры для оптического и акустического камуфляжа, исследователи выгравировали на поверхности стекла ряд субволновых наноразмерных конусов, чтобы уменьшить его отражательную способность. Они обнаружили, что эта структурированная поверхность отражает менее 3% света, тогда как контрольное стекло отражает около 7%. Папаконстантину объясняет, что наноконусы помогают устранить изменения между показателем преломления поверхности стекла и воздуха, сглаживая обычно резкий переход из воздуха в стекло. Это уменьшает рассеяние и, следовательно, количество света, отражающегося от поверхности.
Поверхность также является супергидрофобной: она отталкивает капли воды и масел, поэтому они отскакивают от воздушных подушек, попавших в наноструктуры. По словам Папаконстантину, когда капли скатываются, они собирают загрязнения и грязь, благодаря чему стекло самоочищается. И, наконец, бактерии изо всех сил пытаются выжить на стекле, а острые конусы прокалывают их клеточные мембраны. Сфокусироваться на Золотистый стафилококк – Бактерии, вызывающие стафилококковые инфекции – сканирующая электронная микроскопия показала, что 80% бактерий, поселившихся на поверхности, погибают по сравнению с примерно 10% на стандартном стекле. По словам исследователей, это первая демонстрация антибактериальной поверхности стекла.
Немеханическое управление светом
Свет в оптических системах обычно контролируется с помощью движущихся частей, таких как линза, которой можно манипулировать, чтобы изменить фокус света или направить луч. Но новый класс материалов с фазовым переходом (PCM) может изменять свойства оптических компонентов без какого-либо механического вмешательства.
PCM может переключаться между организованной кристаллической структурой и аморфностью и стекловидностью при приложении некоторой формы энергии, например электрического тока. Такие материалы уже давно используются для хранения данных на оптических дисках, причем две фазы представляют собой два двоичных состояния. Но эти материалы на самом деле не использовались в оптике, кроме таких приложений, поскольку одна из фаз обычно непрозрачна.
Однако недавно исследователи в США создали новый класс ПКМ на основе элементов германия, сурьмы, селена и теллура, известный как GSST (GSST).Связь с природой 10 4279). Они обнаружили, что, хотя как стеклообразное, так и кристаллическое состояния этих материалов прозрачны для инфракрасного света, их показатели преломления сильно различаются. Это можно использовать для создания реконфигурируемой оптики, способной управлять инфракрасным светом.
Цзюэджун Ху, ученый-материаловед из Массачусетского технологического института, говорит, что вместо того, чтобы иметь оптическое устройство с одним применением, вы можете запрограммировать его на выполнение нескольких различных функций. «Можно даже перейти от линзы к дифракционной решетке или призме», — объясняет он.
По словам Ху, свойства PCM лучше всего использовать при создании оптических метаматериалов, в которых на поверхности формируются наноразмерные субволновые структуры, каждая из которых настроена на взаимодействие со светом определенным образом для создания желаемого эффекта, например фокусировки. луч света. Когда к материалу подается электрический ток, способ взаимодействия поверхностных наноструктур со светом меняется по мере изменения состояния материала и показателя преломления.
Команда уже продемонстрировала, что может создавать такие элементы, как зум-объективы и оптические затворы, которые могут быстро отключать луч света. Кэтлин Ричардсон, эксперт в области оптических материалов и фотоники из Университета Центральной Флориды, который работал с Ху над материалами GSST, говорит, что эти материалы могут упростить и уменьшить размеры датчиков и других оптических устройств. Они позволят комбинировать несколько оптических механизмов, уменьшая количество отдельных деталей и устраняя необходимость в различных механических элементах. «Несколько функций в одном компоненте делают платформу меньше, компактнее и легче», — объясняет Ричардсон.
Бессмертное стекло
«Вы можете обойти законы физики, но не можете их нарушить», — говорит Пол Бингхэм, специалист по стеклу и керамике в Университете Шеффилд-Халлам, Великобритания. «По сути, стекло — хрупкий материал, и если приложить достаточную силу к достаточно маленькой части стекла, оно разобьется». Тем не менее, существуют различные способы улучшения их производительности.
Рассмотрим мобильные телефоны. Большинство экранов смартфонов изготовлены из химически закаленного стекла, наиболее распространенным из которых является Gorilla Glass. Это прочное, устойчивое к царапинам, но тонкое стекло, разработанное компанией Corning в 2000-х годах, сегодня можно найти примерно в пяти миллиардах смартфонов, планшетов и других электронных устройств. Но химически упрочненное стекло не является полностью неуязвимым. На самом деле экран телефона Бингэма разбит. «Я уронил его один раз, потом уронил еще раз, и он приземлился точно в ту же точку, и на этом игра закончилась», — говорит он.
Чтобы еще больше повысить долговечность стеклянных экранов, Бингхэм работал над проектом под названием «Производство бессмертия» вместе с учеными-полимерщиками из Университета Нортумбрии под руководством химика Джастин перри, разработавшие самовосстанавливающиеся полимеры. Если вы разрежете эти самовосстанавливающиеся полимеры пополам, а затем соедините кусочки вместе, со временем они снова соединятся. Исследователи экспериментировали с нанесением покрытий из таких материалов на стекло.
Если вы приложите достаточную силу, эти экраны все равно сломаются, но если вы уроните один и сломаете полимерный слой, он может самовосстановиться. Это произойдет в условиях комнатной температуры, хотя небольшой нагрев, например, оставив их в теплом месте, может ускорить процесс. «Речь идет об увеличении срока службы продуктов, повышении их устойчивости и отказоустойчивости», — говорит Бингхэм. И это может быть полезно для многих продуктов, в которых стекло используется в качестве защитного слоя, а не только для смартфонов.
