Від фіксації кісток до виготовлення антибактеріальних поверхонь, Майкл Аллен розмовляє з дослідниками, які створюють скло з додатковими функціями та продуктивністю
Скло всюдисуще в повсякденному житті. Будучи дуже прозорим, стабільним і міцним, це важливий матеріал для безлічі застосувань, від простих вікон до сенсорних екранів на наших останніх гаджетах до фотонних компонентів для високотехнологічних датчиків.
Найпоширеніші склянки виготовляють із кремнезему, вапна та соди. Але протягом століть до скла додавали додаткові інгредієнти для надання таких властивостей, як колір і термостійкість. І дослідники все ще працюють над склом, прагнучи надати йому додаткові функціональні можливості та покращити його продуктивність для конкретних завдань, створюючи все більш високотехнологічне скло та те, що можна назвати «розумним» склом.
Розумні матеріали непросто визначити, але загалом вони створені для певної реакції на зовнішні подразники. З точки зору скла, найбільш очевидним «розумним» застосуванням є вікна, зокрема контроль кількості світла, що проходить через скло. Таким чином ми можемо підвищити енергоефективність будь-якої будівлі: зменшити тепло влітку, зберігаючи тепло в холодну погоду.
Напруга вікна
Колір або непрозорість деяких смарт-склів можна змінити шляхом подачі напруги на матеріал, таким чином змінюючи певні оптичні властивості, такі як поглинання та відображення, оборотним чином. Такі «електрохромні» розумні вікна можуть контролювати пропускання певних частот світла, таких як ультрафіолетове чи інфрачервоне, на вимогу або навіть блокувати їх зовсім. Застосування цієї технології популярно не тільки в будівлях, але і в електронних дисплеях і тонованих стеклах автомобілів.
Дійсно, електрохромні вікна випереджають інші технології в цій галузі та вже комерціалізовані. Але, незважаючи на хорошу роботу, вони мають деякі очевидні недоліки. Вони досить складні та дорогі, а їх модернізація в старих будівлях зазвичай потребує встановлення нових вікон, віконних рам та електричних з’єднань. Вони теж не автоматичні – їх потрібно вмикати і вимикати.
Щоб вирішити деякі з цих проблем, дослідники працювали над термохромними вікнами, які запускаються змінами температури, а не напруги. Одна велика привабливість полягає в тому, що вони пасивні – після встановлення їх властивості змінюються залежно від температури навколишнього середовища, без участі людини. Домінуючим методом створення таких термохромних вікон є нанесення на скло покриття з діоксиду ванадію (Джоуль 10.1016 / j.joule.2018.06.018), але також можна використовувати інші матеріали, такі як перовскіти (J. App. Енергія 254 113690). Ці матеріали зазнають фазового переходу, стаючи більш-менш прозорими зі зміною температури, ефект, який можна налаштувати для різних умов.
Хоча діоксид ванадію багатообіцяючий для розумних вікон, є перешкоди, які потрібно подолати. Внаслідок сильного поглинання діоксид ванадію набуває неприємного коричнево-жовтого відтінку, тому потрібна додаткова робота щодо екологічної стабільності (Adv. Виробн. 6 1). Нещодавній огляд також показує, що хоча ці технології можуть забезпечити значну економію енергії, необхідні додаткові дослідження щодо їх використання та впливу в реальних умовах. Наприклад, було виявлено, що енергоефективність термохромних вікон сильно відрізняється в різних містах, де використовується плівка одного типу, але набагато менше – у різних типах плівки, що використовуються в одному місті (J. App. Енергія 255 113522).
Але високотехнологічне скло не закінчується розумними вікнами. Дослідники виявили, що якщо до скла додати більше незвичайних металів, це може допомогти захистити сонячні батареї та зробити їх ефективнішими (див. рамку: Покращення фотоелектричного покривного скла). Тим часом біоактивне скло може допомогти нам відростити кістку та інші тканини (див. рамку: Фіксація кісток та іншої тканини), тоді як нові процеси травлення можуть дозволити нам додати кілька функцій до скла без необхідності покриття поверхні (див. рамку: Антивідблиск , самоочищувальна та антибактеріальна). І хоча це не традиційні оптичні скла, нові матеріали зі зміною фази можуть допомогти створити легші та компактніші оптичні системи (див. рамку: Немеханічний контроль світла). Нарешті, одного дня скло може навіть відновлюватися (див. рамку: Безсмертне скло).
Удосконалення фотоелектричного покривного скла
Це може здатися дивним, але не все сонячне світло корисне для сонячних батарей. У той час як фотоелектричні блоки перетворюють інфрачервоне та видиме світло в електричну енергію, ультрафіолетове (УФ) світло пошкоджує їх. Подібно до сонячних опіків, ультрафіолетове світло негативно впливає на вуглецеві полімери, які використовуються в органічних фотоелектричних елементах. Дослідники виявили, що пошкодження ультрафіолетовим випромінюванням робить шар органічних напівпровідників більш електрично стійким, зменшуючи потік струму та загальну ефективність клітини.
Ця проблема не обмежується органічними клітинами. Ультрафіолетове світло також перешкоджає більш поширеній фотоелектричній системі на основі кремнію, яка складається з купи різних матеріалів. Фотоактивний шар на основі кремнію затиснутий між полімерами, які захищають його від проникнення води, а потім цей пристрій покривається скляною кришкою, яка додатково захищає його від елементів, пропускаючи сонячне світло. Проблема з ультрафіолетовим випромінюванням полягає в тому, що воно пошкоджує полімери, дозволяючи воді проникати та роз’їдати електроди.
Пол Бінгем, експерт зі скла з Університету Шеффілда Халлама, Великобританія, пояснює, що для підвищення ефективності сонячних панелей «головним напрямком руху в останні кілька десятиліть було зробити скло все прозорішим і прозорішим». Це означає видалення хімічних речовин, які забарвлюють скло, наприклад заліза, яке створює зелений відтінок. На жаль, як пояснює Бінгем, це пропускає більше ультрафіолетового світла, що ще більше пошкоджує полімер.
Тому Бінгем і його колеги пішли в іншому напрямку – вони хімічно легували скло, щоб воно поглинало шкідливе ультрафіолетове світло, але було прозорим для корисного інфрачервоного та видимого світла. Залізо все ще не є ідеальною добавкою, оскільки воно поглинає деякі довжини хвиль видимого та інфрачервоного випромінювання, і те саме стосується інших перехідних металів першого ряду, таких як хром і кобальт.
Замість цього команда Бінгема експериментувала з перехідними елементами другого та третього рядів, які зазвичай не додавали б до скла, такими як ніобій, тантал і цирконій, а також інші метали, такі як вісмут і олово. Вони забезпечують сильне поглинання УФ-променів без видимого забарвлення. При використанні в покривному склі це подовжує термін служби фотоелектричних елементів і допомагає їм підтримувати вищу ефективність, тому вони довше виробляють більше електроенергії.
Процес також має ще одну перевагу. «Ми виявили, що багато легуючих домішок поглинають ультрафіолетові фотони, втрачають трохи енергії, а потім повторно випромінюють їх у вигляді видимих фотонів, отже, по суті, флуоресценція», — говорить Бінгем. Вони створюють корисні фотони, які можна перетворити на електричну енергію. У недавньому дослідженні дослідники показали, що такі скла можуть підвищити ефективність сонячних модулів приблизно на 8% у порівнянні зі стандартним покривним склом (Прог. у фотовольтаїці 10.1002/піп.3334).
Фіксація кісток та інших тканин
У 1969 році біомедичний інженер Ларрі Хенч з Університету Флориди шукав матеріал, який міг би з’єднатися з кісткою, не відторгаючись людським організмом. Працюючи над пропозицією для Командування медичних досліджень і проектування армії США, Генч зрозумів, що існує потреба в новому матеріалі, який міг би утворювати живий зв’язок із тканинами в організмі, при цьому не відкидаючись, як це часто буває з металом та пластикові імпланти. Зрештою він синтезував Bioglass 45S5, особливу композицію біоактивного скла, яка зараз є торговою маркою Університету Флориди.
Спеціальна комбінація оксиду натрію, оксиду кальцію, діоксиду кремнію та п’ятиоксиду фосфору, біоактивне скло, тепер використовується як ортопедичне лікування для відновлення пошкодженої кістки та ремонту кісткових дефектів. «Біоактивне скло — це матеріал, який ви вводите в організм, і він починає розчинятися, і коли це відбувається, воно фактично спонукає клітини та кістку стати активнішими та виробляти нову кістку», — каже Джуліан Джонс, експерт з матеріалу, з Імперського коледжу Лондона, Великобританія.
Джонс пояснює, що скло працює так добре з двох основних причин. По-перше, коли він розчиняється, він утворює поверхневий шар гідроксикарбонатного апатиту, який схожий на мінерал у кістці. Це означає, що він взаємодіє з кісткою, і організм сприймає його як рідний, а не чужорідний об’єкт. По-друге, розчиняючись, скло вивільняє іони, які сигналізують клітинам виробляти нову кістку.
Клінічно біоактивне скло в основному використовується як порошок, який формують у замазку, а потім вштовхують у дефект кістки, але Джонс та його колеги працювали над матеріалами, схожими на 3D-друк, для більших структурних ремонтів. Це неорганічно-органічні гібриди біоактивного скла та полімеру, які вони називають живим біосклом. 3D-друкована архітектура забезпечує хороші механічні властивості, а також структуру, яка заохочує клітини рости належним чином. Справді, Джонс виявив, що змінюючи розмір пор каркаса, стовбурові клітини кісткового мозку можуть стимулювати ріст кісток або хрящів. «Ми досягли величезного успіху з еластичним хрящем з біоскла», — каже Джонс.
Біоактивне скло також використовується для регенерації хронічних ран, наприклад, спричинених діабетичними виразками. Дослідження показали, що вата, подібна скляним пов’язкам, може загоювати рани, такі як діабетичні виразки стопи, які не реагували на інші методи лікування (Міжн. Рана Дж. 19 791).
Але Джонс каже, що найчастіше біоактивне скло використовується в деяких чутливих зубних пастах, де воно сприяє природній мінералізації зубів. «У вас чутливі зуби, тому що у вас є канальці, які йдуть у нервову порожнину в центрі зуба, тому, якщо ви мінералізуєте ці канальці, ви не зможете потрапити в порожнину пульпи», — пояснює він.
Антиблікове, самоочищувальне та антибактеріальне
В Університетському коледжі Лондона дослідники витравлювали нанорозмірні структури на поверхні скла, щоб надати їй різноманітних функцій. Подібні методи випробували в минулому, але структурувати скляну поверхню з досить дрібними деталями виявилося складним і складним завданням. Наноінженер Іоанніс Папаконстантіну та його колеги, однак, нещодавно розробили новий процес літографії, який дозволяє їм деталізувати скло з нанорозмірною точністю (Adv. Матер. 33 2102175).
Натхненні нічними метеликами, які використовують подібні структури для оптичного та акустичного камуфляжу, дослідники вигравірували на скляній поверхні низку субхвильових нанорозмірних конусів, щоб зменшити її відбивну здатність. Вони виявили, що ця структурована поверхня відбиває менше 3% світла, тоді як контрольне скло відбиває близько 7%. Папаконстантіну пояснює, що наноконуси допомагають подолати зміни між показником заломлення скляної поверхні та показником заломлення повітря, згладжуючи зазвичай різкий перехід повітря-скло. Це зменшує розсіювання і, отже, кількість світла, що відбивається від поверхні.
Поверхня також супергідрофобна, відштовхуючи краплі води та олії, щоб вони відбивалися від повітряних подушок, захоплених наноструктурами. Як пояснює Папаконстантіну, коли краплі скочуються, вони збирають забруднення та бруд, завдяки чому скло починає самоочищатися. І як остання перевага, бактерії намагаються вижити на склі, гострі конуси пронизують їхні клітинні мембрани. Зосереджуючись на Золотистий стафілокок – бактерії, які викликають стафілококові інфекції – скануюча електронна мікроскопія показала, що 80% бактерій, які осідають на поверхні, гинуть у порівнянні з приблизно 10% на стандартному склі. За словами дослідників, це перша демонстрація антибактеріальної скляної поверхні.
Немеханічне керування світлом
Зазвичай в оптичних системах світлом керують рухомі частини, як-от лінза, якою можна маніпулювати, щоб змінити фокусну точку світла або керувати променем. Але новий клас фазоперехідних матеріалів (PCM) може змінювати властивості оптичних компонентів без будь-якого механічного втручання.
PCM може перемикатися між організованою кристалічною структурою та бути аморфною та подібною до скла, коли застосовується певна форма енергії, наприклад електричний струм. Такі матеріали вже давно використовуються для зберігання даних на оптичних дисках, причому дві фази представляють два бінарні стани. Але ці матеріали насправді не використовувалися в оптиці, крім таких застосувань, оскільки одна з фаз зазвичай непрозора.
Однак нещодавно дослідники в США створили новий клас PCM на основі елементів германію, сурми, селену та телуру, відомий як GSST (Nature Comms 10 4279). Вони виявили, що хоча склоподібний і кристалічний стани цих матеріалів прозорі для інфрачервоного світла, вони мають дуже різні показники заломлення. Це можна використати для створення реконфігурованої оптики, яка може контролювати інфрачервоне світло.
Цзюеджун Ху, матеріалознавець з Массачусетського технологічного інституту, каже, що замість того, щоб мати оптичний пристрій з одним додатком, ви можете запрограмувати його на виконання кількох різних функцій. «Ви навіть можете перейти від лінзи до дифракційної гратки або призми», — пояснює він.
Властивості PCM найкраще використовувати, каже Ху, шляхом створення оптичних метаматеріалів, у яких на поверхні формуються нанорозмірні структури з меншою довжиною хвилі, кожна з яких налаштована на взаємодію зі світлом певним чином для створення бажаного ефекту, наприклад фокусування. промінь світла. Коли до матеріалу подається електричний струм, спосіб взаємодії поверхневих наноструктур зі світлом змінюється, оскільки змінюється стан матеріалу та показник заломлення.
Команда вже продемонструвала, що може створювати такі елементи, як зум-лінзи та оптичні затвори, які можуть швидко вимикати промінь світла. Кетлін Річардсон, експерт з оптичних матеріалів і фотоніки з Університету Центральної Флориди, який працював з Ху над матеріалами GSST, каже, що ці матеріали можуть спростити та зменшити розмір датчиків та інших оптичних пристроїв. Вони дозволили б об’єднати кілька оптичних механізмів, зменшивши кількість окремих частин і позбавивши потреби в різних механічних елементах. «Кілька функцій в одному компоненті роблять платформу меншою, компактнішою та легшою», — пояснює Річардсон.
Безсмертне скло
«Ви можете порушити закони фізики, але ви не можете їх порушити», — каже Пол Бінгем, який спеціалізується на скляних і керамічних виробах в Університеті Шеффілда Халлама, Великобританія. «По суті, скло є крихким матеріалом, і якщо ви прикладете достатню силу до досить маленької частини скла, воно розіб’ється». Тим не менш, існують різні способи покращення їх продуктивності.
Розглянемо мобільні телефони. Більшість екранів смартфонів виготовлені з хімічно загартованого скла, причому найбільш поширене Gorilla Glass. Це міцне, стійке до подряпин, але тонке скло, розроблене компанією Corning у 2000-х роках, тепер можна знайти в приблизно п’яти мільярдах смартфонів, планшетів та інших електронних пристроїв. Але хімічно зміцнене скло не є повністю міцним. Насправді екран телефону Бінгема розбитий. «Я впустив його один раз, а потім знову впустив, і він приземлився точно в ту саму точку, і на цьому гра закінчилася», — каже він.
Щоб ще більше підвищити довговічність скляних екранів, Бінгем працював над проектом під назвою «Виробництво безсмертя» разом із вченими-полімерами з Нортумбрійського університету під керівництвом хіміка Джастін Перрі, які розробили полімери, що самовідновлюються. Якщо ви розріжете ці полімери, що самовідновлюються, навпіл, а потім зіштовхнете шматки разом, вони з часом знову з’єднаються. Дослідники експериментували з нанесенням покриття з таких матеріалів на скло.
Якщо ви прикладете достатню силу, ці екрани все одно зламаються, але якщо ви впустите один і тріснете полімерний шар, він може самовідновитися. Це станеться за умов навколишньої кімнатної температури, хоча трохи нагріти їх, наприклад, залишивши в теплому місці, можна прискорити процес. «Йдеться про те, щоб подовжити термін служби продуктів, зробити їх більш стійкими та стійкими», — каже Бінгем. І це може бути корисним для багатьох продуктів, які використовують скло як захисний шар, а не лише для смартфонів.
