Od pritrjevanja kosti do izdelave antibakterijskih površin, Michael Allen se pogovarja z raziskovalci, ki izdelujejo steklo z dodatno funkcionalnostjo in zmogljivostjo
Steklo je vseprisotno v vsakdanjem življenju. Ker je zelo pregleden, stabilen in vzdržljiv, je pomemben material za nešteto aplikacij, od preprostih oken do zaslonov na dotik na naših najnovejših pripomočkih do fotonskih komponent za visokotehnološke senzorje.
Najpogostejša stekla so narejena iz kremena, apna in sode. Toda že stoletja so steklu dodajali dodatne sestavine, da bi mu podelili lastnosti, kot sta barva in toplotna odpornost. Raziskovalci še vedno delajo na steklu in mu iščejo dodatno funkcionalnost ter izboljšajo njegovo zmogljivost za posebne naloge, ustvarjajo vse bolj visokotehnološko steklo in tisto, kar bi lahko imenovali "pametno" steklo.
Pametnih materialov ni lahko definirati, vendar so na splošno zasnovani tako, da se na poseben način odzivajo na zunanje dražljaje. Kar zadeva steklo, je najbolj očitna "pametna" aplikacija za okna - zlasti nadzor količine svetlobe, ki prehaja skozi steklo. Tako lahko povečamo energetsko učinkovitost katere koli stavbe: zmanjšamo toploto poleti, hkrati pa ohranjamo toploto v hladnejšem vremenu.
Napetost okna
Barvo ali motnost nekaterih pametnih stekel je mogoče spremeniti z uporabo napetosti na material, s čimer se spremenijo nekatere optične lastnosti – kot sta absorpcija in odboj – na način, ki je reverzibilen. Takšna "elektrokromna" pametna okna lahko na zahtevo nadzorujejo prepustnost določenih frekvenc svetlobe, kot sta ultravijolična ali infrardeča, ali pa jih celo popolnoma blokirajo. Uporaba te tehnologije ni priljubljena samo v stavbah, ampak tudi v elektronskih zaslonih in zatemnjenih steklih avtomobilov.
Dejansko so elektrokromna okna pred drugimi tehnologijami na tem področju in so že komercializirana. Toda kljub dobremu delovanju imajo nekaj očitnih pomanjkljivosti. So precej zapleteni in dragi, njihova naknadna vgradnja v starejše stavbe pa običajno zahteva vgradnjo novih oken, okenskih okvirjev in električnih priključkov. Prav tako niso samodejni - morate jih vklopiti in izklopiti.
Da bi rešili nekatere od teh težav, so raziskovalci delali na termokromnih oknih, ki jih sprožijo spremembe temperature namesto napetosti. Ena velika privlačnost je, da so pasivni – ko so enkrat nameščeni, se njihove lastnosti spreminjajo s temperaturo okolja, brez potrebe po človeškem posegu. Prevladujoča metoda za izdelavo takšnih termokromnih oken je nanašanje prevleke iz vanadijevega dioksida na steklo (Joule 10.1016/j.joule.2018.06.018), lahko pa se uporabijo tudi drugi materiali, kot so perovskiti (J. App. Energija 254 113690). Ti materiali so podvrženi faznemu prehodu in s temperaturnimi spremembami postanejo bolj ali manj prozorni, učinek, ki ga je mogoče prilagoditi različnim pogojem.
Medtem ko vanadijev dioksid veliko obeta za pametna okna, je treba premagati ovire. Zaradi močne absorpcije vanadijev dioksid povzroči neprijeten rjavkasto-rumen odtenek in potrebna so dodatna dela na okoljski stabilnosti (Adv. Proizv. 6 1). Nedavni pregled tudi kaže, da čeprav bi te tehnologije lahko zagotovile znatne prihranke energije, je potrebnih več raziskav o njihovi uporabi in vplivu v resničnih okoljih. Na primer, ugotovljeno je bilo, da se energijska učinkovitost termokromnih oken zelo razlikuje med različnimi mesti, ki uporabljajo isto vrsto folije, veliko manj pa med različnimi vrstami folije, ki se uporabljajo v istem mestu (J. App. Energija 255 113522).
Toda visokotehnološko steklo se ne konča pri pametnih oknih. Raziskovalci so ugotovili, da če steklu dodajo več nenavadnih kovin, lahko to pomaga zaščititi sončne kolektorje in jih narediti učinkovitejše (glejte okvir: Izboljšanje fotovoltaičnega pokrovnega stekla). Bioaktivno steklo nam medtem lahko pomaga pri ponovni rasti kosti in drugih tkiv (glejte okvir: Pritrjevanje kosti in drugega tkiva), medtem ko bi novi postopki jedkanja lahko omogočili dodajanje več funkcij steklu brez potrebe po površinskih premazih (glejte okvir: Protiodboj , samočistilna in antibakterijska). In čeprav ne tradicionalna optična stekla, bi lahko novi materiali s faznim spreminjanjem pomagali ustvariti lažje in bolj kompaktne optične sisteme (glejte okvir: Nemehanski nadzor svetlobe). Nazadnje bi se steklo nekega dne lahko celo samozdravilo (glej okvir: Nesmrtno steklo).
Izboljšanje fotovoltaičnega pokrovnega stekla
Morda se zdi presenetljivo, vendar ni vsa sončna svetloba dobra za sončne celice. Medtem ko fotovoltaične enote pretvarjajo infrardečo in vidno svetlobo v električno energijo, jih ultravijolična (UV) svetloba poškoduje. Tako kot pri sončnih opeklinah tudi UV-svetloba negativno vpliva na polimere na osnovi ogljika, ki se uporabljajo v organskih fotovoltaičnih celicah. Raziskovalci so ugotovili, da poškodbe zaradi UV-svetlobe naredijo plast organskega polprevodnika bolj električno odporno, kar zmanjša pretok toka in splošno učinkovitost celice.
Ta težava ni omejena na organske celice. UV svetloba ovira tudi bolj običajno fotovoltaiko na osnovi silicija, ki je sestavljena iz niza različnih materialov. Fotoaktivna plast na osnovi silicija je stisnjena med polimere, ki jo ščitijo pred vdorom vode, ta enota pa je nato prekrita s steklenim pokrovom, ki jo dodatno ščiti pred elementi, hkrati pa prepušča sončno svetlobo. Težava z UV-svetlobo je, da poškoduje polimere, zaradi česar voda prodre in razjeda elektrode.
Paul Bingham, strokovnjak za steklo na Univerzi Sheffield Hallam v Združenem kraljestvu, pojasnjuje, da je bila za izboljšanje učinkovitosti sončnih kolektorjev »prevladujoča smer potovanja v zadnjih nekaj desetletjih, da je bilo steklo vedno bolj prozorno«. To pomeni odstranitev kemikalij, ki obarvajo steklo, kot je železo, ki daje zelen odtenek. Na žalost, kot pojasnjuje Bingham, to prepušča več UV svetlobe, kar dodatno poškoduje polimer.
Bingham in njegovi kolegi so zato šli v drugo smer – steklo so kemično dopirali tako, da absorbira škodljivo UV svetlobo, vendar je prosojno za koristno infrardečo in vidno svetlobo. Železo še vedno ni idealen dodatek, saj absorbira nekaj vidnih in infrardečih valovnih dolžin, enako velja za druge prehodne kovine prve vrste, kot sta krom in kobalt.
Namesto tega je Binghamova ekipa eksperimentirala s prehodnimi elementi druge in tretje vrste, ki običajno ne bi bili dodani steklu, kot so niobij, tantal in cirkonij, skupaj z drugimi kovinami, kot sta bizmut in kositer. Ti ustvarjajo močno UV absorpcijo brez vidnega obarvanja. Pri uporabi v pokrovnem steklu to podaljša življenjsko dobo fotovoltaike in ji pomaga ohranjati večjo učinkovitost, tako da dlje časa proizvaja več električne energije.
Postopek ima še eno korist. "Ugotovili smo, da veliko dopantov absorbira UV-fotone, izgubi malo energije in jih nato ponovno oddaja kot vidne fotone, torej v bistvu fluorescenco," pravi Bingham. Ustvarjajo uporabne fotone, ki jih je mogoče pretvoriti v električno energijo. V nedavni študiji so raziskovalci pokazali, da lahko takšna stekla izboljšajo učinkovitost solarnih modulov do približno 8 % v primerjavi s standardnim pokrovnim steklom (Prog. v fotovoltaiki 10.1002/pip.3334).
Fiksiranje kosti in drugega tkiva
Leta 1969 je biomedicinski inženir Larry Hench z Univerze na Floridi iskal material, ki bi se lahko povezal s kostjo, ne da bi ga človeško telo zavrnilo. Med delom na predlogu za poveljstvo za medicinske raziskave in oblikovanje ameriške vojske je Hench ugotovil, da obstaja potreba po novem materialu, ki bi lahko tvoril živo vez s tkivi v telesu, hkrati pa ga ne bi zavrnili, kot se pogosto zgodi s kovino. in plastičnih vsadkov. Sčasoma je sintetiziral Bioglass 45S5, posebno sestavo bioaktivnega stekla, ki je zdaj blagovna znamka Univerze na Floridi.
Posebna kombinacija natrijevega oksida, kalcijevega oksida, silicijevega dioksida in fosforjevega pentoksida, bioaktivno steklo, se zdaj uporablja kot ortopedsko zdravljenje za obnovo poškodovane kosti in popravilo kostnih defektov. "Bioaktivno steklo je material, ki ga vnesete v telo in se začne raztapljati, in ko se to zgodi, dejansko sporoča celicam in kostem, naj postanejo bolj aktivni in proizvajajo novo kost," pravi Julian Jones, strokovnjak za gradivo, z Imperial College London, Združeno kraljestvo.
Jones pojasnjuje, da obstajata dva glavna razloga, zakaj steklo deluje tako dobro. Prvič, ko se raztopi, tvori površinsko plast hidroksikarbonatnega apatita, ki je podoben mineralu v kosti. To pomeni, da je v interakciji s kostjo in telo ga vidi kot domači in ne tuj predmet. Drugič, ko se steklo raztopi, sprosti ione, ki celicam sporočajo, naj proizvedejo novo kost.
Klinično se bioaktivno steklo v glavnem uporablja kot prah, ki se oblikuje v kit in nato potisne v kostni defekt, vendar so Jones in njegovi kolegi delali na 3D-natisnjenih materialih, podobnih odru, za večja strukturna popravila. To so anorgansko-organski hibridi bioaktivnega stekla in polimera, ki jih imenujejo poskočno biosteklo. 3D-natisnjena arhitektura zagotavlja dobre mehanske lastnosti, a tudi strukturo, ki celice spodbuja k pravilni rasti. Pravzaprav je Jones ugotovil, da lahko s spreminjanjem velikosti por ogrodja izvorne celice kostnega mozga spodbudimo k rasti kosti ali hrustanca. »S poskočnim hrustancem Bioglass smo bili zelo uspešni,« pravi Jones.
Bioaktivno steklo se uporablja tudi za regeneracijo kroničnih ran, kot so tiste, ki jih povzročajo diabetične razjede. Raziskave so pokazale, da lahko vata, podobna steklenim oblogam, celi rane, kot so razjede na diabetičnem stopalu, ki se niso odzvale na druga zdravljenja (Int. Rana J. 19 791).
Toda Jones pravi, da je najpogostejša uporaba bioaktivnega stekla v nekaterih občutljivih zobnih pastah, kjer spodbuja naravno mineralizacijo zob. "Imate občutljive zobe, ker imate tubule, ki gredo v vašo živčno votlino v središču zoba, tako da če mineralizirate te tubule, ni poti v pulpo votlino," pojasnjuje.
Antirefleksna, samočistilna in antibakterijska
Na University College London so raziskovalci jedkali nanometrske strukture v površino stekla, da bi mu dali več različnih funkcij. Podobne tehnike so že preizkušali v preteklosti, vendar se je izkazalo, da je zahtevno in zapleteno strukturirati stekleno površino z dovolj finimi podrobnostmi. Nanoinženir Ioannis Papakonstantinou in njegovi kolegi pa so pred kratkim razvili nov postopek litografije, ki jim omogoča detajliranje stekla z nanometrsko natančnostjo (Adv. Mater. 33 2102175).
Po navdihu moljev, ki uporabljajo podobne strukture za optično in akustično kamuflažo, so raziskovalci vgravirali stekleno površino z nizom podvalovnih stožcev v nanometru, da bi zmanjšali njeno odbojnost. Ugotovili so, da ta strukturirana površina odbija manj kot 3 % svetlobe, medtem ko kontrolno steklo odbija okoli 7 %. Papakonstantinou pojasnjuje, da nanokonusi pomagajo premostiti spremembe med lomnim količnikom steklene površine in zrakom, tako da izravnajo običajno nenaden prehod zrak-steklo. To zmanjša razpršitev in s tem količino svetlobe, ki se odbija od površine.
Površina je tudi superhidrofobna, saj odbija kapljice vode in olja, tako da se odbijajo od zračnih blazin, ujetih v nanostrukture. Ko se kapljice odkotalijo, poberejo onesnaževala in umazanijo, zaradi česar se steklo samočisti, kot pojasnjuje Papakonstantinou. In kot zadnja prednost, bakterije se borijo za preživetje na steklu, pri čemer ostri stožci prebadajo njihove celične membrane. Osredotočanje na Staphylococcus aureus – bakterije, ki povzročajo okužbe s staphom – vrstična elektronska mikroskopija je pokazala, da umre 80 % bakterij, ki se naselijo na površini, v primerjavi s približno 10 % na standardnem steklu. Po mnenju raziskovalcev je to prva demonstracija antibakterijske steklene površine.
Nemehanski nadzor svetlobe
Svetloba se v optičnih sistemih na splošno nadzoruje s premikajočimi se deli, kot je leča, s katero je mogoče manipulirati, da spremenite žariščno točko svetlobe ali usmerjate žarek. Toda nov razred materialov za spreminjanje faze (PCM) bi lahko spremenil lastnosti optičnih komponent brez kakršnega koli mehanskega posega.
PCM lahko preklaplja med organizirano kristalno strukturo in postane amorfen in podoben steklu, ko se uporabi neka oblika energije, kot je električni tok. Takšni materiali se že dolgo uporabljajo za shranjevanje podatkov na optičnih diskih, pri čemer dve fazi predstavljata dve binarni stanji. Toda ti materiali niso bili v resnici uporabljeni v optiki zunaj takšnih aplikacij, ker je ena od faz običajno neprozorna.
Pred kratkim pa so raziskovalci v ZDA ustvarili nov razred PCM, ki temelji na elementih germanij, antimon, selen in telur, znan kot GSST (Komunikacije narave 10 4279). Odkrili so, da sta tako steklasto kot kristalno stanje teh materialov prosojna za infrardečo svetlobo, vendar imata zelo različne lomne količnike. To je mogoče izkoristiti za ustvarjanje rekonfigurabilne optike, ki lahko nadzoruje infrardečo svetlobo.
Juejun Hu, znanstvenik za materiale na tehnološkem inštitutu v Massachusettsu, pravi, da lahko namesto optične naprave z eno aplikacijo programirate več različnih funkcij. »Lahko bi celo zamenjali z leče na uklonsko mrežo ali prizmo,« pojasnjuje.
Lastnosti PCM-jev se najbolje izkoristijo, pravi Hu, z ustvarjanjem optičnih metamaterialov, v katerih so na površini oblikovane strukture pod valovno dolžino v nanometru in vsaka je prilagojena za interakcijo s svetlobo na poseben način, da ustvari želeni učinek, kot je fokusiranje snop svetlobe. Ko se na material uporabi električni tok, se način interakcije površinskih nanostruktur s svetlobo spremeni, ko se stanje materiala in lomni količnik spremenita.
Ekipa je že dokazala, da lahko ustvari elemente, kot so zoom leče in optični zaklopi, ki lahko hitro izklopijo žarek svetlobe. Kathleen Richardson, strokovnjak za optične materiale in fotoniko na Univerzi v osrednji Floridi, ki je s Hujem delal na materialih GSST, pravi, da bi ti materiali lahko poenostavili in zmanjšali velikost senzorjev in drugih optičnih naprav. Omogočili bi združevanje več optičnih mehanizmov, zmanjšanje števila posameznih delov in odpravo potrebe po različnih mehanskih elementih. "Več funkcij v isti komponenti naredi platformo manjšo, bolj kompaktno in lažjo," pojasnjuje Richardson.
Nesmrtno steklo
»Fizikalne zakone lahko prekršite, ne morete pa jih prekršiti,« pravi Paul Bingham, specialist za stekla in keramiko na univerzi Sheffield Hallam v Veliki Britaniji. "V bistvu je steklo krhek material in če uporabite dovolj sile na dovolj majhen del stekla, se bo zlomilo." Kljub temu obstajajo različni načini za izboljšanje njihove učinkovitosti.
Razmislite o mobilnih telefonih. Večina zaslonov pametnih telefonov je izdelanih iz kemično kaljenega stekla, najpogostejši pa je Gorilla Glass. To močno, na praske odporno, a tanko steklo, ki ga je razvil Corning v 2000-ih, je zdaj mogoče najti v približno petih milijardah pametnih telefonov, tabličnih računalnikov in drugih elektronskih naprav. Toda kemično ojačano steklo ni povsem nezlomljivo. Pravzaprav je zaslon Binghamovega telefona pokvarjen. "Enkrat sem ga spustil, nato sem ga spet spustil in pristal je na povsem isti točki in s tem je bilo igre konec," pravi.
Da bi še izboljšal vzdržljivost steklenih zaslonov, Bingham dela na projektu z naslovom "Manufacturing Immortality" z znanstveniki za polimere na univerzi Northumbria, ki jih vodi kemik Justin Perry, ki so razvili samozdravilne polimere. Če te samozdravljive polimere prerežete na pol in nato dele potisnete skupaj, se bodo čez čas spet združili. Raziskovalci so eksperimentirali z nanašanjem premazov iz takšnih materialov na steklo.
Če uporabite dovolj sile, se bodo ti zasloni še vedno zlomili, če pa vam eden pade na tla in počite polimerno plast, se lahko samozaceli. To se bo zgodilo v pogojih okolja, pri sobni temperaturi, čeprav bi lahko postopek pospešili, če bi jih nekoliko segreli, na primer tako, da bi jih pustili na toplem. »Gre za izboljšanje življenjske dobe izdelkov, zaradi česar so bolj trajnostni in bolj odporni,« pravi Bingham. Uporabno bi lahko bilo za številne izdelke, ki uporabljajo steklo kot zaščitno plast, ne le za pametne telefone.
