Kemiklerin sabitlenmesinden antibakteriyel yüzeylerin yapılmasına kadar, Michael Allen Ek işlevsellik ve performansa sahip cam yapan araştırmacılarla konuşuyor
Cam günlük hayatın her yerinde bulunmaktadır. Son derece şeffaf, sağlam ve dayanıklı olduğundan, basit pencerelerden en yeni cihazlarımızdaki dokunmatik ekranlara ve yüksek teknolojili sensörler için fotonik bileşenlere kadar sayısız uygulama için önemli bir malzemedir.
En yaygın camlar silika, kireç ve sodadan yapılır. Ancak yüzyıllar boyunca cama renk ve ısıya dayanıklılık gibi özellikler kazandırmak için ilave bileşenler eklenmiştir. Araştırmacılar hâlâ cam üzerinde çalışıyor, ona daha fazla işlevsellik kazandırmayı ve belirli görevler için performansını artırmayı, giderek daha yüksek teknolojiye sahip cam ve "akıllı" cam olarak adlandırılabilecek şeyi yaratmayı amaçlıyor.
Akıllı malzemelerin tanımlanması kolay değildir ancak genel olarak dış uyaranlara belirli bir şekilde yanıt verecek şekilde tasarlanmıştır. Cam açısından en belirgin "akıllı" uygulama pencerelere yöneliktir; özellikle de camdan geçen ışık miktarının kontrol edilmesi. Bu şekilde herhangi bir binanın enerji verimliliğini artırabiliriz: Yazın ısıyı azaltırken, soğuk havalarda onu sıcak tutabiliriz.
Pencere voltajı
Bazı akıllı camların rengi veya opaklığı, malzemeye voltaj uygulanarak değiştirilebilir, böylece emilim ve yansıma gibi belirli optik özellikler tersine çevrilebilecek şekilde değiştirilebilir. Bu tür "elektrokromik" akıllı pencereler, isteğe bağlı olarak ultraviyole veya kızılötesi gibi belirli frekanslardaki ışığın iletimini kontrol edebilir, hatta bunları tamamen engelleyebilir. Bu teknolojinin uygulanması sadece binalarda değil aynı zamanda elektronik ekranlarda ve renkli araba camlarında da popülerdir.
Aslında elektrokromik pencereler bu alandaki diğer teknolojilerin ilerisindedir ve halihazırda ticarileştirilmiştir. Ancak iyi çalışmalarına rağmen bazı bariz dezavantajları var. Oldukça karmaşık ve pahalıdırlar ve bunların eski binalara uyarlanması genellikle yeni pencerelerin, pencere çerçevelerinin ve elektrik bağlantılarının kurulmasını gerektirir. Ayrıca otomatik değildirler; onları açıp kapatmanız gerekir.
Bu sorunlardan bazılarını ele almak için araştırmacılar, voltaj yerine sıcaklıktaki değişikliklerle tetiklenen termokromik pencereler üzerinde çalışıyorlar. En büyük cazibesi pasif olmalarıdır; kurulduktan sonra özellikleri ortam sıcaklığına göre değişir ve insan müdahalesine gerek kalmaz. Bu tür termokromik pencereler oluşturmanın baskın yöntemi, cama vanadyum dioksit kaplaması uygulamaktır (Jul 10.1016 / j.joule.2018.06.018), ancak perovskitler gibi başka malzemeler de kullanılabilir (J. Uygulama. Enerji 254 113690). Bu malzemeler, sıcaklık değiştikçe az çok şeffaf hale gelen bir faz geçişine uğrar; bu, farklı koşullara göre ayarlanabilen bir etkidir.
Vanadyum dioksit akıllı pencereler için pek çok umut vaat etse de aşılması gereken engeller var. Güçlü emilimi nedeniyle vanadyum dioksit, hoş olmayan kahverengimsi sarı bir renk tonu üretir ve çevresel stabilite konusunda daha fazla çalışmaya ihtiyaç vardır.Av. Manuf. 6 1). Yakın zamanda yapılan bir inceleme, bu teknolojilerin önemli miktarda enerji tasarrufu sağlayabilmesine rağmen, bunların gerçek dünya ortamlarındaki kullanımı ve etkileri konusunda daha fazla araştırmaya ihtiyaç duyulduğunu da öne sürüyor. Örneğin, termokromik pencerelerin enerji performansının, aynı film tipini kullanan farklı şehirler arasında çok fazla farklılık gösterdiği, ancak aynı şehirde kullanılan farklı film tipleri arasında çok daha az olduğu bulunmuştur.J. Uygulama. Enerji 255 113522).
Ancak yüksek teknolojili camlar akıllı pencerelerle bitmiyor. Araştırmacılar, cama daha fazla sıra dışı metal eklenirse bunun güneş panellerinin korunmasına ve daha verimli hale getirilmesine yardımcı olabileceğini keşfettiler (bkz. kutu: Fotovoltaik kapak camının iyileştirilmesi). Bu arada biyoaktif cam, kemiği ve diğer dokuları yeniden büyütmemize yardımcı olabilir (bkz. kutu: Kemiklerin ve diğer dokuların sabitlenmesi), yeni aşındırma işlemleri ise yüzey kaplamalarına ihtiyaç duymadan cama birden fazla işlev eklememize olanak sağlayabilir (bkz. kutu: Yansıma önleyici) , kendi kendini temizleyen ve antibakteriyel). Geleneksel optik camlar olmasa da, yeni faz değiştiren malzemeler daha hafif ve daha kompakt optik sistemlerin yaratılmasına yardımcı olabilir (bkz. kutu: Işığın mekanik olmayan kontrolü). Son olarak, cam bir gün kendi kendini iyileştirebilecek bile olabilir (bkz. kutu: Ölümsüz cam).
Fotovoltaik kapak camının iyileştirilmesi
Şaşırtıcı görünebilir ancak güneş ışığının tamamı güneş pilleri için iyi değildir. Fotovoltaik üniteler kızılötesi ve görünür ışığı elektrik enerjisine dönüştürürken, ultraviyole (UV) ışık bunlara zarar verir. Tıpkı güneş yanığı vakasında olduğu gibi, UV ışığı da organik fotovoltaik hücrelerde kullanılan karbon bazlı polimerleri olumsuz etkiler. Araştırmacılar, UV ışığından kaynaklanan hasarın organik yarı iletken katmanı elektriksel olarak daha dirençli hale getirdiğini, akım akışını ve hücrenin genel verimliliğini azalttığını buldu.
Bu sorun sadece organik hücrelerle sınırlı değil. UV ışığı aynı zamanda farklı malzemelerden oluşan, daha yaygın olarak kullanılan silikon bazlı fotovoltaiği de engeller. Silikon bazlı fotoaktif katman, onu su girişinden koruyan polimerlerin arasına sıkıştırılır ve bu ünite daha sonra güneş ışığının geçmesine izin verirken onu elementlerden daha fazla koruyan bir cam kapakla kaplanır. UV ışığının sorunu, polimerlere zarar vererek suyun nüfuz etmesine ve elektrotları aşındırmasına izin vermesidir.
Paul BinghamBirleşik Krallık'taki Sheffield Hallam Üniversitesi'nden cam uzmanı, güneş paneli verimliliğini artırmak için "son birkaç on yılda en önemli seyahat yönünün camı daha temiz ve daha berrak hale getirmek olduğunu" açıklıyor. Bu, yeşil bir renk tonu oluşturan demir gibi camı renklendiren kimyasalların ortadan kaldırılması anlamına gelir. Maalesef Bingham'ın açıkladığı gibi bu, daha fazla UV ışığının geçmesine izin vererek polimere daha fazla zarar veriyor.
Bingham ve meslektaşları bu nedenle diğer yöne gidiyorlar; cama kimyasal olarak katkı yapıyorlar, böylece cam zararlı UV ışığını emiyor, ancak yararlı kızılötesi ve görünür ışığa karşı şeffaf oluyor. Demir, bazı görünür ve kızılötesi dalga boylarını emdiği için hala ideal bir katkı maddesi değildir ve aynı durum, krom ve kobalt gibi diğer birinci sıra geçiş metalleri için de geçerlidir.
Bunun yerine, Bingham'ın ekibi bizmut ve kalay gibi diğer metallerin yanı sıra niyobyum, tantal ve zirkonyum gibi normalde cama eklenmeyecek ikinci ve üçüncü sıra geçiş elemanlarıyla deneyler yapıyor. Bunlar görünür bir renklenme olmadan güçlü UV emilimi sağlar. Bu, kapak camında kullanıldığında fotovoltaiklerin kullanım ömrünü uzatır ve daha yüksek verim elde etmelerine yardımcı olur, böylece daha uzun süre daha fazla elektrik üretirler.
Sürecin başka bir faydası daha var. Bingham, "Bulduğumuz şey, katkı maddelerinin çoğunun UV fotonlarını emdiği, bir miktar enerji kaybettiği ve sonra bunları görünür fotonlar olarak yeniden yaydıkları, yani temel olarak floresans olduğu" diyor. Elektrik enerjisine dönüştürülebilen faydalı fotonlar yaratırlar. Yakın zamanda yapılan bir çalışmada araştırmacılar, bu tür camların güneş modüllerinin verimliliğini standart kaplama camlara kıyasla yaklaşık %8'e kadar artırabildiğini gösterdi (Prog. Fotovoltaik alanında 10.1002/pip.3334).
Kemikleri ve diğer dokuları sabitleme
1969 yılında Florida Üniversitesi'nden biyomedikal mühendisi Larry Hench, insan vücudu tarafından reddedilmeden kemiğe bağlanabilen bir malzeme arıyordu. ABD Ordusu Tıbbi Araştırma ve Tasarım Komutanlığı için bir teklif üzerinde çalışırken Hench, metalde olduğu gibi reddedilmeden vücuttaki dokularla canlı bir bağ kurabilecek yeni bir malzemeye ihtiyaç olduğunu fark etti. ve plastik implantlar. Sonunda, şu anda Florida Üniversitesi'nin ticari markası olan, biyoaktif camın özel bir bileşimi olan Bioglass 45S5'i sentezledi.
Sodyum oksit, kalsiyum oksit, silikon dioksit ve fosfor pentoksidin spesifik bir kombinasyonu olan biyoaktif cam artık hasarlı kemiği onarmak ve kemik kusurlarını onarmak için ortopedik bir tedavi olarak kullanılıyor. "Biyoaktif cam, vücuda koyduğunuz bir malzemedir ve çözünmeye başlar ve çözündüğü sırada aslında hücrelere ve kemiğe daha aktif olmalarını ve yeni kemik üretmelerini söyler" diyor Julian Jones, malzeme konusunda uzman, Imperial College London, Birleşik Krallık'tan.
Jones, camın bu kadar iyi çalışmasının iki ana nedeni olduğunu açıklıyor. Birincisi, çözündükçe kemikteki minerale benzer bir yüzey hidroksikarbonat apatit tabakası oluşturur. Bu, kemikle etkileşime girdiği ve vücudun onu yabancı değil, yerli bir nesne olarak gördüğü anlamına gelir. İkincisi, cam çözüldükçe hücrelere yeni kemik üretmeleri için sinyal gönderen iyonları serbest bırakır.
Klinik olarak, biyoaktif cam esas olarak macun haline getirilen ve daha sonra kemik defektinin içine itilen bir toz olarak kullanılıyor, ancak Jones ve meslektaşları daha büyük yapısal onarımlar için 3D baskılı iskele benzeri malzemeler üzerinde çalışıyorlar. Bunlar, canlı Biyocam olarak adlandırdıkları biyoaktif cam ve polimerin inorganik-organik melezleridir. 3D baskılı mimari, iyi mekanik özelliklerin yanı sıra hücrelerin doğru şekilde büyümesini teşvik eden bir yapı da sağlıyor. Aslında Jones, iskelenin gözenek boyutunu değiştirerek kemik iliği kök hücrelerinin kemik veya kıkırdak büyümesine teşvik edilebileceğini buldu. Jones, "Kabaran Bioglass kıkırdak ile büyük bir başarı elde ettik" diyor.
Biyoaktif cam aynı zamanda diyabetik ülserlerin neden olduğu kronik yaraların yenilenmesinde de kullanılıyor. Araştırmalar, pamuk benzeri cam pansumanların, diğer tedavilere yanıt vermeyen diyabetik ayak ülserleri gibi yaraları iyileştirebileceğini göstermiştir (Int. Yara J. 19 791).
Ancak Jones, biyoaktif camın en yaygın kullanımının, dişlerin doğal mineralizasyonunu tetikleyen bazı hassas diş macunlarında olduğunu söylüyor. "Hassas dişleriniz var çünkü dişin ortasındaki sinir boşluğuna giden tüpleriniz var, dolayısıyla bu tüpleri mineralleştirirseniz pulpa boşluğuna giden yol kalmaz" diye açıklıyor.
Yansıma önleyici, kendi kendini temizleyen ve antibakteriyel
University College London'daki araştırmacılar, cam yüzeyine nano ölçekli yapılar kazıyarak ona birçok farklı işlev kazandırıyor. Geçmişte benzer teknikler denenmişti ancak cam yüzeyini yeterince ince ayrıntılarla yapılandırmanın zorlu ve karmaşık olduğu kanıtlandı. Nanomühendis Ioannis Papakonstantinou Ancak ve meslektaşları yakın zamanda camı nano ölçekte hassasiyetle detaylandırmalarına olanak tanıyan yeni bir litografi işlemi geliştirdiler (Gelişmiş. Anne. 33 2102175).
Optik ve akustik kamuflaj için benzer yapıları kullanan güvelerden ilham alan araştırmacılar, yansıtıcılığını azaltmak için bir cam yüzeye bir dizi alt dalga boyu, nano ölçekli koniler kazıdılar. Bu yapılandırılmış yüzeyin ışığı %3'ten daha az yansıttığını, kontrol camının ise %7 civarında yansıttığını buldular. Papakonstantinou, nanokonların, genellikle ani olan havadan cama geçişi yumuşatarak, cam yüzeyinin kırılma indeksi ile havanın kırılma indeksi arasındaki köprü değişikliklerine yardımcı olduğunu açıklıyor. Bu, saçılmayı ve dolayısıyla yüzeyden yansıyan ışık miktarını azaltır.
Yüzey aynı zamanda süperhidrofobiktir; su ve yağ damlacıklarını iterek nanoyapılarda hapsolmuş hava yastıklarından seker. Papakonstantinou'nun açıkladığı gibi damlacıklar yuvarlandıkça kir ve kirleri toplayarak camın kendi kendini temizlemesini sağlıyor. Ve son bir fayda olarak, keskin koniler hücre zarlarını delerek, bakteriler cam üzerinde hayatta kalma mücadelesi veriyor. Odaklanmak Staphylococcus aureus – stafilokok enfeksiyonlarına neden olan bakteriler – taramalı elektron mikroskobu, standart camdaki yaklaşık %80'a kıyasla yüzeye yerleşen bakterilerin %10'inin öldüğünü göstermiştir. Araştırmacılara göre bu, antibakteriyel bir cam yüzeyin ilk gösterimi.
Işığın mekanik olmayan kontrolü
Işık genellikle optik sistemlerde, ışığın odak noktasını değiştirmek veya bir ışını yönlendirmek için yönlendirilebilen bir mercek gibi hareketli parçalarla kontrol edilir. Ancak yeni bir faz değiştiren malzeme sınıfı (PCM'ler), optik bileşenlerin özelliklerini herhangi bir mekanik müdahale olmadan değiştirebilir.
Bir PCM, elektrik akımı gibi bir tür enerji uygulandığında düzenli bir kristal yapıya sahip olmak ile amorf ve cam benzeri olmak arasında geçiş yapabilir. Bu tür malzemeler, iki fazın iki ikili durumu temsil ettiği optik disklerde veri depolamak için uzun süredir kullanılmaktadır. Ancak bu malzemeler bu tür uygulamaların ötesinde optikte pek kullanılmadı çünkü fazlardan biri normalde opaktı.
Ancak son zamanlarda ABD'deki araştırmacılar, GSST olarak bilinen, germanyum, antimon, selenyum ve tellür elementlerine dayanan yeni bir PCM sınıfı oluşturdular (Doğa İletişimleri 10 4279). Bu malzemelerin hem camsı hem de kristal hallerinin kızılötesi ışığa karşı şeffaf olmasına rağmen oldukça farklı kırılma indekslerine sahip olduklarını keşfettiler. Bu, kızılötesi ışığı kontrol edebilen yeniden yapılandırılabilir optikler oluşturmak için kullanılabilir.
Juejun HuMassachusetts Teknoloji Enstitüsü'nden malzeme bilimci, bir optik cihazı tek bir uygulamayla kullanmak yerine, onu birkaç farklı fonksiyona sahip olacak şekilde programlayabileceğinizi söylüyor. "Lensten kırınım ızgarasına veya prizmaya bile geçiş yapabilirsiniz" diye açıklıyor.
Hu, PCM'lerin özelliklerinden en iyi şekilde, yüzeyde nano ölçekli, alt dalga boyu yapılarının oluşturulduğu ve her birinin, odaklanma gibi istenen bir etkiyi yaratmak için ışıkla belirli bir şekilde etkileşime girecek şekilde ayarlandığı optik meta malzemeler yaratarak yararlanıldığını söylüyor. bir ışık huzmesi. Malzemeye bir elektrik akımı uygulandığında, malzemenin durumu ve kırılma indisi değiştikçe yüzey nanoyapılarının ışıkla etkileşim şekli de değişir.
Ekip, bir ışık huzmesini hızlı bir şekilde kapatabilen yakınlaştırma lensleri ve optik panjurlar gibi unsurların oluşturulabileceğini zaten gösterdi. Kathleen RichardsonHu ile GSST malzemeleri üzerinde çalışan, Central Florida Üniversitesi'nde optik malzemeler ve fotonik uzmanı olan Dr. Birden fazla optik mekanizmanın birleştirilmesini mümkün kılacak, tek tek parçaların sayısını azaltacak ve çeşitli mekanik elemanlara olan ihtiyacı ortadan kaldıracaklar. Richardson, "Aynı bileşendeki birden fazla işlev, platformu daha küçük, daha kompakt ve daha hafif hale getiriyor" diye açıklıyor.
Ölümsüz cam
Birleşik Krallık'taki Sheffield Hallam Üniversitesi'nde cam ve seramik alanında uzmanlaşan Paul Bingham, "Fizik yasalarını esnetebilirsiniz, ancak onları çiğneyemezsiniz" diyor. "Temel olarak cam kırılgan bir malzemedir ve eğer camın yeterince küçük bir kısmına yeterli kuvvet uygularsanız kırılır." Yine de performanslarını iyileştirmenin çeşitli yolları vardır.
Cep telefonlarını düşünün. Çoğu akıllı telefon ekranı kimyasal olarak sertleştirilmiş camdan yapılmıştır; en yaygın olanı ise Gorilla Glass. Corning tarafından 2000'li yıllarda geliştirilen bu güçlü, çizilmeye karşı dayanıklı ancak ince cam, artık yaklaşık beş milyar akıllı telefon, tablet ve diğer elektronik cihazlarda bulunabiliyor. Ancak kimyasal olarak güçlendirilmiş cam tamamen kırılmaz değildir. Hatta Bingham'ın telefon ekranı kırıldı. "Bir kez düşürdüm, sonra tekrar düşürdüm ve tamamen aynı noktaya düştü ve oyun bitti" diyor.
Cam ekranların dayanıklılığını daha da artırmak için Bingham, Northumbria Üniversitesi'ndeki polimer bilim adamlarıyla birlikte kimyager tarafından yönetilen "Ölümsüzlüğün Üretimi" başlıklı bir proje üzerinde çalışıyor. Justin PerryKendi kendini onaran polimerler geliştirdiler. Kendi kendini onaran bu polimerleri ikiye bölerseniz ve parçaları bir araya getirirseniz, zamanla yeniden birleşeceklerdir. Araştırmacılar bu tür malzemelerin kaplamalarını cama uygulama konusunda deneyler yapıyorlar.
Yeterince kuvvet uygularsanız bu ekranlar yine de kırılacak, ancak birini düşürürseniz ve polimer katmanını kırarsanız kendi kendini onarabilir. Bu, ortam, oda sıcaklığı koşulları altında gerçekleşecektir, ancak onları biraz ısıtmak, örneğin sıcak bir yerde bırakmak, süreci hızlandırabilir. Bingham, "Bu, ürünlerin ömrünü uzatmak, onları daha sürdürülebilir hale getirmek ve daha dayanıklı hale getirmekle ilgili" diyor. Ayrıca yalnızca akıllı telefonlar için değil, camı koruyucu katman olarak kullanan birçok ürün için de faydalı olabilir.
