Från att fixera ben till att göra antibakteriella ytor, Michael Allen pratar med forskarna som tillverkar glas som har ytterligare funktionalitet och prestanda
Glas finns överallt i vardagen. Eftersom det är mycket transparent, stabilt och hållbart är det ett viktigt material för en myriad av applikationer, från enkla fönster till pekskärmar på våra senaste prylar till fotoniska komponenter för högteknologiska sensorer.
De vanligaste glasen är gjorda av kiseldioxid, lime och läsk. Men i århundraden har ytterligare ingredienser lagts till glas för att ge egenskaper som färg och värmebeständighet. Och forskare arbetar fortfarande med glas och försöker ge det ytterligare funktionalitet och förbättra dess prestanda för specifika uppgifter, skapa allt mer högteknologiskt glas och vad som kan kallas "smart" glas.
Smarta material är inte lätta att definiera, men i stort sett är de designade för att svara på ett specifikt sätt på yttre stimuli. När det gäller glas är den mest uppenbara "smarta" applikationen för fönster - i synnerhet för att kontrollera mängden ljus som passerar genom glaset. På så sätt kan vi öka energieffektiviteten i alla byggnader: minska värmen på sommaren, samtidigt som den håller den varm i kallare väder.
Fönsterspänning
Färgen eller opaciteten hos vissa smarta glas kan ändras genom att lägga en spänning på materialet, och därigenom ändra vissa optiska egenskaper – såsom absorption och reflektans – på ett sätt som är reversibelt. Sådana "elektrokromiska" smarta fönster kan styra överföringen av vissa ljusfrekvenser, såsom ultraviolett eller infrarött, på begäran, eller till och med blockera dem helt och hållet. Tillämpningen av denna teknik är populär inte bara i byggnader utan också i elektroniska displayer och tonade bilrutor.
Faktum är att elektrokroma fönster ligger före andra tekniker inom detta område och har redan kommersialiserats. Men trots att de fungerar bra har de några uppenbara nackdelar. De är ganska komplicerade och dyra, och för att eftermontera dem i äldre byggnader krävs i allmänhet att man installerar nya fönster, fönsterramar och elektriska anslutningar. De är inte heller automatiska – du måste slå på och av dem.
För att ta itu med några av dessa problem har forskare arbetat med termokroma fönster, som utlöses av förändringar i temperatur istället för spänning. En stor attraktion är att de är passiva – när de väl installerats förändras deras egenskaper med omgivningstemperaturen, utan behov av mänsklig input. Den dominerande metoden för att skapa sådana termokroma fönster är att applicera en beläggning av vanadindioxid på glas (JOULE 10.1016 / j.joule.2018.06.018), men andra material som perovskiter kan också användas (J. App. Energi 254 113690). Dessa material genomgår en fasövergång som blir mer eller mindre genomskinliga när temperaturen ändras, en effekt som kan ställas in för olika förhållanden.
Även om vanadindioxid lovar mycket för smarta fönster, finns det hinder att övervinna. På grund av sin starka absorption ger vanadindioxid en obehaglig brungul nyans och ytterligare arbete krävs för miljöstabilitet (Adv. Manuf. 6 1). En nyligen genomförd granskning tyder också på att även om dessa tekniker kan ge betydande energibesparingar, behövs mer forskning om deras användning och inverkan i verkliga miljöer. Till exempel har energiprestandan hos termokroma fönster visat sig variera mycket mellan olika städer som använder samma filmtyp, men mycket mindre mellan olika filmtyper som används i samma stad (J. App. Energi 255 113522).
Men högteknologiskt glas slutar inte med smarta fönster. Forskare har funnit att om de lägger till mer ovanliga metaller till glas kan det hjälpa till att skydda solpaneler och göra dem mer effektiva (se ruta: Förbättra solcellsskyddsglas). Bioaktivt glas kan under tiden hjälpa oss att växa tillbaka ben och andra vävnader (se ruta: Fixering av ben och annan vävnad), medan nya etsningsprocesser kan göra det möjligt för oss att lägga till flera funktioner till glas utan behov av ytbeläggning (se ruta: Antireflex , självrengörande och antibakteriell). Och även om de inte är traditionella optiska glasögon, kan nya fasförändringsmaterial bidra till att skapa lättare och mer kompakta optiska system (se ruta: Icke-mekanisk styrning av ljus). Slutligen kan glas en dag till och med kunna läka sig själv (se ruta: Odödligt glas).
Förbättring av solcellsskyddsglas
Det kan tyckas förvånande, men allt solljus är inte bra för solceller. Medan fotovoltaiska enheter omvandlar infrarött och synligt ljus till elektrisk energi, skadar ultraviolett (UV) ljus dem. Precis som ett fall av solbränna, påverkar UV-ljus negativt de kolbaserade polymererna som används i organiska solceller. Forskare har funnit att skadan från UV-ljus gör det organiska halvledarskiktet mer elektriskt motståndskraftigt, vilket minskar strömflödet och cellens totala effektivitet.
Det här problemet är inte begränsat till organiska celler. UV-ljus hämmar också den vanligare kiselbaserade solcellsanläggningen, som består av en stapel av olika material. Det kiselbaserade fotoaktiva lagret är inklämt mellan polymerer som skyddar det från vatteninträngning, och denna enhet toppas sedan med ett glasskydd, som ytterligare skyddar det från elementen samtidigt som det släpper igenom solljus. Problemet med UV-ljus är att det skadar polymererna, vilket gör att vatten tränger in och korroderar elektroderna.
Paul Bingham, en expert på glas vid Sheffield Hallam University, Storbritannien, förklarar att för att förbättra solpanelernas effektivitet "har den överordnade färdriktningen under de senaste decennierna varit att göra glaset klarare och klarare". Detta innebär att man tar bort kemikalier som färgar glaset, till exempel järn, som ger en grön nyans. Tyvärr, som Bingham förklarar, släpper detta igenom mer UV-ljus, vilket skadar polymeren ytterligare.
Bingham och hans kollegor har därför gått åt andra hållet – de har doppat glas kemiskt så att det absorberar skadligt UV-ljus men är genomskinligt för det användbara infraröda och synliga ljuset. Järn är fortfarande inte en idealisk tillsats, eftersom det absorberar vissa synliga och infraröda våglängder, och detsamma gäller för andra första radens övergångsmetaller som krom och kobolt.
Istället har Binghams team experimenterat med andra och tredje radens övergångselement som normalt inte skulle läggas till glas, såsom niob, tantal och zirkonium, tillsammans med andra metaller som vismut och tenn. Dessa skapar stark UV-absorption utan någon synlig färgning. När det används i täckglaset förlänger detta solcellernas livslängd och hjälper dem att behålla en högre verkningsgrad, så att de genererar mer elektricitet under längre tid.
Processen har också en annan fördel. "Vad vi har funnit är att många av dopämnena absorberar UV-fotoner, förlorar lite energi och sedan sänder de ut dem igen som synliga fotoner, så fluorescerande i princip," säger Bingham. De skapar användbara fotoner som kan omvandlas till elektrisk energi. I en nyligen genomförd studie visade forskarna att sådana glasögon kan förbättra effektiviteten hos solcellsmoduler med upp till cirka 8 %, jämfört med standardtäckglas (Prog. inom solceller 10.1002/pip.3334).
Fixering av ben och annan vävnad
1969 letade biomedicinska ingenjören Larry Hench, från University of Florida, efter ett material som kunde binda till ben utan att stötas bort av människokroppen. När Hench arbetade på ett förslag till US Army Medical Research and Design Command insåg Hench att det fanns ett behov av ett nytt material som kunde bilda ett levande band med vävnader i kroppen, utan att avvisas, som ofta är fallet med metall. och plastimplantat. Han syntetiserade så småningom Bioglass 45S5, en speciell sammansättning av bioaktivt glas som nu är varumärkesskyddat av University of Florida.
En specifik kombination av natriumoxid, kalciumoxid, kiseldioxid och fosforpentoxid, bioaktivt glas används nu som en ortopedisk behandling för att återställa skadat ben och reparera bendefekter. "Bioaktivt glas är ett material som du stoppar in i kroppen och det börjar lösas upp, och när det gör det säger det faktiskt till celler och ben att bli mer aktiva och producera nytt ben," säger Julian Jones, expert på materialet, från Imperial College London, Storbritannien.
Jones förklarar att det finns två huvudsakliga anledningar till att glaset fungerar så bra. För det första, när det löser sig bildar det ett ytskikt av hydroxikarbonatapatit, som liknar mineralet i ben. Detta betyder att det interagerar med ben och kroppen ser det som ett inhemskt, snarare än främmande, föremål. För det andra, när det löser sig, frigör glaset joner som signalerar celler att producera nytt ben.
Kliniskt används bioaktivt glas främst som ett pulver som formas till ett kitt och sedan trycks in i bendefekten, men Jones och hans kollegor har arbetat med 3D-printade ställningsliknande material för större strukturella reparationer. Dessa är oorganiska-organiska hybrider av bioaktivt glas och polymer som de refererar till som bouncy Bioglass. Den 3D-printade arkitekturen ger goda mekaniska egenskaper, men också en struktur som uppmuntrar celler att växa på rätt sätt. Faktum är att Jones har funnit att genom att ändra porstorleken på ställningen kan benmärgsstamceller uppmuntras att växa antingen ben eller brosk. "Vi har haft en enorm framgång med studsande Bioglass brosk," säger Jones.
Bioaktivt glas används också för att regenerera kroniska sår, som de som orsakas av diabetiska sår. Forskning har visat att bomullsull som glasförband kan läka sår, såsom diabetiska fotsår, som inte har svarat på andra behandlingar (Int. Sår J. 19 791).
Men Jones säger att den vanligaste användningen av bioaktivt glas är i vissa känsliga tandkrämer, där det leder till naturlig mineralisering av tänder. "Du har känsliga tänder eftersom du har tubuli som går in i din nervkavitet i mitten av tanden, så om du mineraliserar dessa tubuli finns det ingen väg in i pulpahålan", förklarar han.
Antireflekterande, självrengörande och antibakteriell
Vid University College London har forskare etsat strukturer i nanoskala i glasytan för att ge det flera olika funktioner. Liknande tekniker har prövats tidigare, men det har visat sig utmanande och komplicerat att strukturera glasytan med tillräckligt fina detaljer. Nanoingenjör Ioannis Papakonstantinou och hans kollegor har dock nyligen utvecklat en ny litografiprocess som tillåter dem att detaljera glas med nanoskala precision (Adv. Mater. 33 2102175).
Inspirerade av nattfjärilar som använder liknande strukturer för optiskt och akustiskt kamouflage, graverade forskarna en glasyta med en rad sub-våglängder, nanoskala koner för att minska dess reflektionsförmåga. De fann att denna strukturerade yta reflekterade mindre än 3 % av ljuset, medan ett kontrollglas reflekterade cirka 7 %. Papakonstantinou förklarar att nanokonerna hjälper till att överbrygga förändringar mellan glasytans och luftens brytningsindex genom att jämna ut den vanligtvis abrupta övergången mellan luft och glas. Detta minskar spridningen och därmed mängden ljus som reflekteras från ytan.
Ytan är också superhydrofob och stöter bort vattendroppar och oljor så att de studsar av luftkuddar som är instängda i nanostrukturerna. När dropparna rullar av plockar de upp föroreningar och smuts, vilket gör glaset självrengörande, som Papakonstantinou förklarar. Och som en sista fördel kämpar bakterier för att överleva på glaset, med de vassa konerna som genomborrar deras cellmembran. Fokuserar på Staphylococcus aureus – bakterierna som orsakar staph-infektioner – svepelektronmikroskopi har visat att 80 % av de bakterier som sätter sig på ytan dör, jämfört med cirka 10 % på standardglas. Enligt forskarna är detta den första demonstrationen av en antibakteriell glasyta.
Icke-mekanisk styrning av ljus
Ljus styrs i allmänhet i optiska system av rörliga delar, såsom en lins som kan manipuleras för att ändra ljusets brännpunkt eller styra en stråle. Men en ny klass av fasförändringsmaterial (PCM) kan förändra egenskaperna hos optiska komponenter utan någon mekanisk inblandning.
En PCM kan växla mellan att ha en organiserad kristallin struktur till att vara amorf och glasliknande när någon form av energi, såsom en elektrisk ström, appliceras. Sådana material har länge använts för att lagra data på optiska skivor, där de två faserna representerar de två binära tillstånden. Men dessa material har egentligen inte använts i optik utöver sådana applikationer, eftersom en av faserna normalt är ogenomskinlig.
Nyligen har dock forskare i USA skapat en ny klass av PCM baserade på grundämnena germanium, antimon, selen och tellur, känd som GSST (Nature Comms 10 4279). De upptäckte att även om de glasartade och kristallina tillstånden hos dessa material är transparenta för infrarött ljus, har de vitt skilda brytningsindex. Detta kan utnyttjas för att skapa omkonfigurerbar optik som kan styra infrarött ljus.
Juejun Hu, en materialforskare vid Massachusetts Institute of Technology, säger att istället för att ha en optisk enhet med en applikation kan du programmera den så att den har flera olika funktioner. "Du kan till och med byta från en lins till ett diffraktionsgitter eller ett prisma", förklarar han.
Egenskaperna hos PCM:er utnyttjas bäst, säger Hu, genom att skapa optiska metamaterial, där nanoskala, sub-våglängdsstrukturer formas på ytan och var och en är avstämd att interagera med ljus på ett specifikt sätt för att skapa en önskad effekt, till exempel fokusering en ljusstråle. När en elektrisk ström appliceras på materialet förändras hur ytnanostrukturerna interagerar med ljuset när materialets tillstånd och brytningsindex ändras.
Teamet har redan visat att det kan skapa element som zoomlinser och optiska slutare som snabbt kan stänga av en ljusstråle. Kathleen Richardson, en expert på optiska material och fotonik vid University of Central Florida, som arbetade med Hu på GSST-material, säger att dessa material kan förenkla och minska storleken på sensorer och andra optiska enheter. De skulle göra det möjligt att kombinera flera optiska mekanismer, minska antalet enskilda delar och ta bort behovet av olika mekaniska element. "Flera funktioner i samma komponent gör plattformen mindre, kompaktare och lättare", förklarar Richardson.
Odödligt glas
"Du kan böja fysikens lagar, men du kan inte bryta dem", säger Paul Bingham, som är specialiserad på glasögon och keramik vid Sheffield Hallam University, Storbritannien. "I grunden är glas ett sprött material och om du applicerar tillräckligt med kraft över en tillräckligt liten del av glaset kommer det att gå sönder." Ändå finns det olika sätt att förbättra deras prestanda.
Tänk på mobiltelefoner. De flesta smartphone-skärmar är gjorda av kemiskt härdat glas, med det vanligaste Gorilla Glass. Detta starka, reptåliga men ändå tunna glas utvecklades av Corning på 2000-talet och kan nu hittas i cirka fem miljarder smartphones, surfplattor och andra elektroniska enheter. Men kemiskt förstärkt glas är inte helt okrossbart. Faktum är att Binghams telefonskärm är trasig. "Jag tappade den en gång och sedan tappade jag den igen och den landade på exakt samma punkt och det var game over", säger han.
För att ytterligare förbättra hållbarheten hos glasskärmar har Bingham arbetat med ett projekt med titeln "Manufacturing Immortality" med polymerforskare vid Northumbria University, ledd av kemist Justin Perry, som har utvecklat självläkande polymerer. Om du skär dessa självläkande polymerer på mitten och sedan trycker ihop bitarna kommer de med tiden att gå ihop igen. Forskarna har experimenterat med att applicera beläggningar av sådana material på glas.
Om du applicerar tillräckligt med kraft kommer dessa skärmar fortfarande att gå sönder, men om du tappade en och spräckte polymerskiktet kan den självläka. Detta kommer att hända under omgivningsförhållanden, rumstemperatur, även om det kan påskynda processen att värma upp dem lite, till exempel genom att lämna dem någonstans varmt. "Det handlar om att förbättra livslängden för produkter, göra dem mer hållbara och göra dem mer motståndskraftiga", säger Bingham. Och det kan vara användbart för många produkter som använder glas som ett skyddande lager, inte bara smartphones.
