Từ việc cố định xương đến tạo bề mặt kháng khuẩn, Michael Allen nói chuyện với các nhà nghiên cứu làm kính có chức năng và hiệu suất bổ sung
Thủy tinh có mặt khắp nơi trong cuộc sống hàng ngày. Với độ trong suốt cao, ổn định và bền bỉ, đây là vật liệu quan trọng cho vô số ứng dụng, từ cửa sổ đơn giản đến màn hình cảm ứng trên các thiết bị mới nhất của chúng tôi cho đến các thành phần quang tử cho cảm biến công nghệ cao.
Các loại kính phổ biến nhất được làm từ silica, vôi và soda. Nhưng trong nhiều thế kỷ, các thành phần bổ sung đã được thêm vào thủy tinh để tạo ra các đặc tính như màu sắc và khả năng chịu nhiệt. Và các nhà nghiên cứu vẫn đang nghiên cứu về kính, tìm cách cung cấp cho nó thêm chức năng và cải thiện hiệu suất của nó cho các nhiệm vụ cụ thể, tạo ra loại kính ngày càng có công nghệ cao và thứ có thể được gọi là kính “thông minh”.
Vật liệu thông minh không dễ xác định nhưng nhìn chung chúng được thiết kế để phản ứng theo cách cụ thể với các kích thích bên ngoài. Về mặt kính, ứng dụng “thông minh” rõ ràng nhất là dành cho cửa sổ – cụ thể là kiểm soát lượng ánh sáng đi qua kính. Bằng cách đó, chúng ta có thể tăng cường hiệu quả sử dụng năng lượng của bất kỳ tòa nhà nào: giảm nhiệt vào mùa hè, đồng thời giữ ấm trong thời tiết lạnh hơn.
Điện áp cửa sổ
Màu sắc hoặc độ mờ của một số loại kính thông minh có thể được thay đổi bằng cách đặt một điện áp vào vật liệu, từ đó làm thay đổi một số tính chất quang học nhất định – chẳng hạn như độ hấp thụ và phản xạ – theo cách có thể đảo ngược. Những cửa sổ thông minh “điện sắc” như vậy có thể kiểm soát độ truyền qua của các tần số ánh sáng nhất định, chẳng hạn như tia cực tím hoặc hồng ngoại, theo yêu cầu hoặc thậm chí chặn chúng hoàn toàn. Việc ứng dụng công nghệ này phổ biến không chỉ trong các tòa nhà mà còn trong màn hình điện tử và cửa sổ nhuộm màu ô tô.
Thật vậy, cửa sổ điện sắc đi trước các công nghệ khác trong lĩnh vực này và đã được thương mại hóa. Nhưng mặc dù hoạt động tốt nhưng chúng vẫn có một số nhược điểm rõ ràng. Chúng khá phức tạp và đắt tiền, và việc trang bị thêm chúng cho các tòa nhà cũ thường đòi hỏi phải lắp đặt các cửa sổ, khung cửa sổ và kết nối điện mới. Chúng cũng không tự động – bạn cần bật và tắt chúng.
Để giải quyết một số vấn đề này, các nhà nghiên cứu đã nghiên cứu các cửa sổ nhiệt sắc, được kích hoạt bởi sự thay đổi nhiệt độ thay vì điện áp. Một điểm thu hút lớn là chúng thụ động – sau khi được lắp đặt, các đặc tính của chúng thay đổi theo nhiệt độ môi trường mà không cần sự can thiệp của con người. Phương pháp chủ yếu để tạo ra các cửa sổ nhiệt sắc như vậy là phủ một lớp vanadi dioxide lên kính (Joule 10.1016 / j.joule.2018.06.018), nhưng các vật liệu khác như perovskites cũng có thể được sử dụng (J. Ứng dụng. Năng lượng 254 113690). Những vật liệu này trải qua quá trình chuyển pha, trở nên trong suốt ít nhiều khi nhiệt độ thay đổi, một hiệu ứng có thể được điều chỉnh cho phù hợp với các điều kiện khác nhau.
Mặc dù vanadi dioxide cho thấy nhiều hứa hẹn đối với cửa sổ thông minh nhưng vẫn có những trở ngại cần vượt qua. Do khả năng hấp thụ mạnh của nó, vanadi dioxide tạo ra màu vàng nâu khó chịu và cần nghiên cứu thêm về sự ổn định môi trường (Khuyến cáo. Sản xuất. 6 1). Một đánh giá gần đây cũng cho thấy rằng mặc dù những công nghệ này có thể tiết kiệm năng lượng đáng kể nhưng vẫn cần nhiều nghiên cứu hơn về việc sử dụng và tác động của chúng trong môi trường thực tế. Ví dụ, hiệu suất năng lượng của cửa sổ nhiệt sắc đã được phát hiện là khác nhau rất nhiều giữa các thành phố khác nhau sử dụng cùng một loại phim, nhưng khác biệt rất nhiều giữa các loại phim khác nhau được sử dụng trong cùng một thành phố (J. Ứng dụng. Năng lượng 255 113522).
Nhưng kính công nghệ cao không chỉ dừng lại ở cửa sổ thông minh. Các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra rằng nếu họ thêm nhiều kim loại khác thường vào kính, điều đó có thể giúp bảo vệ các tấm pin mặt trời và làm cho chúng hoạt động hiệu quả hơn (xem hộp: Cải thiện lớp kính quang điện). Trong khi đó, kính hoạt tính sinh học có thể giúp chúng ta tái tạo xương và các mô khác (xem hộp: Cố định xương và các mô khác), trong khi các quy trình khắc axit mới có thể cho phép chúng ta thêm nhiều chức năng vào kính mà không cần lớp phủ bề mặt (xem hộp: Chống phản chiếu , tự làm sạch và kháng khuẩn). Và mặc dù không phải là kính quang học truyền thống, nhưng các vật liệu chuyển pha mới có thể giúp tạo ra các hệ thống quang học nhẹ hơn và nhỏ gọn hơn (xem hộp: Điều khiển ánh sáng phi cơ học). Cuối cùng, một ngày nào đó thủy tinh thậm chí có thể tự chữa lành vết thương (xem hộp: Thủy tinh bất tử).
Cải thiện kính che quang điện
Điều này có vẻ đáng ngạc nhiên nhưng không phải tất cả ánh sáng mặt trời đều tốt cho pin mặt trời. Trong khi các thiết bị quang điện chuyển đổi ánh sáng hồng ngoại và ánh sáng khả kiến thành năng lượng điện thì tia cực tím (UV) sẽ làm hỏng chúng. Cũng giống như cháy nắng, tia UV tác động tiêu cực đến các polyme gốc carbon được sử dụng trong tế bào quang điện hữu cơ. Các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra rằng tác hại từ tia UV làm cho lớp bán dẫn hữu cơ có khả năng kháng điện cao hơn, làm giảm dòng điện và hiệu suất tổng thể của tế bào.
Vấn đề này không chỉ giới hạn ở các tế bào hữu cơ. Ánh sáng tia cực tím cũng cản trở quang điện dựa trên silicon phổ biến hơn, bao gồm nhiều vật liệu khác nhau. Lớp quang hoạt dựa trên silicon được kẹp giữa các polyme để bảo vệ nó khỏi sự xâm nhập của nước và sau đó, bộ phận này được phủ một lớp kính để bảo vệ nó khỏi các yếu tố bên ngoài đồng thời cho phép ánh sáng mặt trời xuyên qua. Vấn đề với tia UV là nó làm hỏng các polyme, cho phép nước xâm nhập và ăn mòn các điện cực.
Paul Bingham, một chuyên gia về kính tại Đại học Sheffield Hallam, Vương quốc Anh, giải thích rằng để cải thiện hiệu suất của tấm pin mặt trời “hướng đi chủ đạo trong vài thập kỷ qua là làm cho kính ngày càng trong hơn”. Điều này có nghĩa là loại bỏ các hóa chất tạo màu cho kính, chẳng hạn như sắt, tạo ra màu xanh lục. Thật không may, như Bingham giải thích, điều này cho phép nhiều tia UV xuyên qua hơn, làm hỏng polyme hơn nữa.
Do đó, Bingham và các cộng sự của ông đã đi theo một hướng khác – họ pha tạp hóa học vào thủy tinh sao cho nó hấp thụ tia UV có hại nhưng lại trong suốt đối với ánh sáng hồng ngoại và ánh sáng nhìn thấy hữu ích. Sắt vẫn không phải là một chất phụ gia lý tưởng vì nó hấp thụ một số bước sóng khả kiến và hồng ngoại, điều này cũng đúng đối với các kim loại chuyển tiếp hàng đầu khác như crom và coban.
Thay vào đó, nhóm của Bingham đã thử nghiệm các nguyên tố chuyển tiếp ở hàng thứ hai và thứ ba mà thông thường không được thêm vào thủy tinh, chẳng hạn như niobium, tantalum và zirconium, cùng với các kim loại khác như bismuth và thiếc. Chúng tạo ra sự hấp thụ tia cực tím mạnh mà không có bất kỳ màu sắc nào có thể nhìn thấy được. Khi được sử dụng trong tấm kính che, điều này sẽ kéo dài tuổi thọ của quang điện và giúp chúng duy trì hiệu suất cao hơn, do đó chúng tạo ra nhiều điện hơn trong thời gian dài hơn.
Quá trình này còn có một lợi ích khác. Bingham nói: “Những gì chúng tôi đã tìm thấy là nhiều chất pha tạp hấp thụ các photon UV, mất đi một chút năng lượng và sau đó chúng phát lại chúng dưới dạng các photon khả kiến, vì vậy về cơ bản là huỳnh quang”. Chúng tạo ra các photon hữu ích có thể chuyển đổi thành năng lượng điện. Trong một nghiên cứu gần đây, các nhà nghiên cứu đã chỉ ra rằng những loại kính như vậy có thể cải thiện hiệu suất của mô-đun năng lượng mặt trời lên tới khoảng 8%, so với kính phủ tiêu chuẩn (Ăn xin. trong quang điện 10.1002/pip.3334).
Cố định xương và các mô khác
Năm 1969, kỹ sư y sinh Larry Hench, từ Đại học Florida, đang tìm kiếm một loại vật liệu có thể liên kết với xương mà không bị cơ thể con người đào thải. Khi đang thực hiện đề xuất cho Bộ chỉ huy Thiết kế và Nghiên cứu Y tế Quân đội Hoa Kỳ, Hench nhận ra rằng cần có một loại vật liệu mới có thể hình thành liên kết sống với các mô trong cơ thể mà không bị từ chối, như trường hợp thường xảy ra với kim loại. và cấy ghép nhựa. Cuối cùng, ông đã tổng hợp được Bioglass 45S5, một thành phần đặc biệt của thủy tinh hoạt tính sinh học hiện đã được Đại học Florida đăng ký nhãn hiệu.
Một sự kết hợp cụ thể của natri oxit, canxi oxit, silicon dioxide và phốt pho pentoxide, thủy tinh hoạt tính sinh học hiện được sử dụng như một phương pháp điều trị chỉnh hình để phục hồi xương bị tổn thương và sửa chữa các khuyết tật về xương. “Thủy tinh hoạt tính sinh học là một vật liệu mà bạn đưa vào cơ thể và nó bắt đầu hòa tan, đồng thời nó thực sự ra lệnh cho các tế bào và xương hoạt động mạnh hơn và tạo ra xương mới,” nói. Julian Jones, một chuyên gia về tài liệu, đến từ Imperial College London, Vương quốc Anh.
Jones giải thích rằng có hai lý do chính khiến kính hoạt động tốt như vậy. Đầu tiên, khi hòa tan, nó tạo thành một lớp bề mặt apatit hydroxycarbonate, tương tự như khoáng chất trong xương. Điều này có nghĩa là nó tương tác với xương và cơ thể coi nó như một vật thể bản địa chứ không phải vật thể xa lạ. Thứ hai, khi hòa tan, thủy tinh sẽ giải phóng các ion báo hiệu các tế bào tạo ra xương mới.
Về mặt lâm sàng, thủy tinh hoạt tính sinh học chủ yếu được sử dụng dưới dạng bột tạo thành bột nhão và sau đó được đẩy vào chỗ khiếm khuyết của xương, nhưng Jones và các đồng nghiệp của ông đã nghiên cứu các vật liệu giống như giàn giáo in 3D để sửa chữa các cấu trúc lớn hơn. Đây là những giống lai vô cơ-hữu cơ của thủy tinh hoạt tính sinh học và polymer mà chúng gọi là Thủy tinh sinh học nảy. Kiến trúc in 3D cung cấp các đặc tính cơ học tốt nhưng cũng là cấu trúc khuyến khích các tế bào phát triển đúng cách. Trên thực tế, Jones đã phát hiện ra rằng bằng cách thay đổi kích thước lỗ chân lông của giàn giáo, tế bào gốc tủy xương có thể được khuyến khích phát triển xương hoặc sụn. Jones nói: “Chúng tôi đã đạt được rất nhiều thành công với sụn Bioglass có độ đàn hồi.
Thủy tinh hoạt tính sinh học cũng đang được sử dụng để tái tạo các vết thương mãn tính, chẳng hạn như vết loét do bệnh tiểu đường gây ra. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng bông gòn như băng thủy tinh có thể chữa lành vết thương, chẳng hạn như loét bàn chân do tiểu đường, không đáp ứng với các phương pháp điều trị khác (Int. Vết thương J. 19 791).
Nhưng Jones cho biết việc sử dụng thủy tinh hoạt tính sinh học phổ biến nhất là trong một số loại kem đánh răng dành cho nhạy cảm, nơi nó thúc đẩy quá trình khoáng hóa tự nhiên của răng. Ông giải thích: “Bạn có hàm răng nhạy cảm vì bạn có các ống dẫn vào khoang thần kinh ở giữa răng, vì vậy nếu bạn khoáng hóa các ống đó thì sẽ không có đường vào khoang tủy”.
Chống phản chiếu, tự làm sạch và kháng khuẩn
Tại Đại học College London, các nhà nghiên cứu đã khắc các cấu trúc có kích thước nano vào bề mặt thủy tinh để mang lại cho nó nhiều chức năng khác nhau. Các kỹ thuật tương tự đã được thử trước đây nhưng việc tạo cấu trúc bề mặt kính với đủ chi tiết tinh tế tỏ ra khó khăn và phức tạp. kỹ sư nano Ioannis Papakonstantinou Tuy nhiên, và các đồng nghiệp của ông gần đây đã phát triển một quy trình in thạch bản mới cho phép họ tạo ra các chi tiết thủy tinh với độ chính xác ở cấp độ nano (Adv. mẹ. 33 2102175).
Lấy cảm hứng từ loài bướm đêm sử dụng các cấu trúc tương tự để ngụy trang quang học và âm thanh, các nhà nghiên cứu đã khắc lên bề mặt thủy tinh một dãy các hình nón có bước sóng phụ, kích thước nano để giảm độ phản xạ của nó. Họ phát hiện ra rằng bề mặt có cấu trúc này phản chiếu ít hơn 3% ánh sáng, trong khi kính điều khiển phản chiếu khoảng 7%. Papakonstantinou giải thích rằng các tế bào nano giúp thu hẹp những thay đổi giữa chiết suất của bề mặt thủy tinh và chiết suất của không khí, bằng cách làm trơn tru quá trình chuyển đổi không khí sang thủy tinh thường đột ngột. Điều này làm giảm sự tán xạ và do đó làm giảm lượng ánh sáng phản xạ khỏi bề mặt.
Bề mặt này cũng siêu kỵ nước, đẩy lùi các giọt nước và dầu để chúng bật ra khỏi lớp đệm không khí bị mắc kẹt trong các cấu trúc nano. Papakonstantinou giải thích: Khi các giọt nước lăn đi, chúng cuốn theo các chất ô nhiễm và bụi bẩn, khiến kính tự làm sạch. Và lợi ích cuối cùng là vi khuẩn phải vật lộn để tồn tại trên kính, với những hình nón sắc nhọn xuyên qua màng tế bào của chúng. Tập trung vào Staphylococcus aureus – vi khuẩn gây nhiễm trùng tụ cầu khuẩn – kính hiển vi điện tử quét đã chỉ ra rằng 80% vi khuẩn lắng đọng trên bề mặt sẽ chết, so với khoảng 10% trên kính tiêu chuẩn. Theo các nhà nghiên cứu, đây là minh chứng đầu tiên về bề mặt kính kháng khuẩn.
Điều khiển ánh sáng phi cơ học
Ánh sáng thường được điều khiển trong hệ thống quang học bằng các bộ phận chuyển động, chẳng hạn như thấu kính có thể được điều khiển để thay đổi tiêu điểm của ánh sáng hoặc điều khiển chùm tia. Nhưng một loại vật liệu chuyển pha (PCM) mới có thể thay đổi tính chất của các thành phần quang học mà không cần bất kỳ sự can thiệp cơ học nào.
PCM có thể chuyển đổi từ cấu trúc tinh thể có tổ chức sang cấu trúc vô định hình và giống thủy tinh khi sử dụng một dạng năng lượng nào đó, chẳng hạn như dòng điện. Những vật liệu như vậy từ lâu đã được sử dụng để lưu trữ dữ liệu trên đĩa quang, với hai pha đại diện cho hai trạng thái nhị phân. Nhưng những vật liệu này chưa thực sự được sử dụng trong quang học ngoài những ứng dụng như vậy, vì một trong các pha thường mờ đục.
Tuy nhiên, gần đây, các nhà nghiên cứu ở Mỹ đã tạo ra một loại PCM mới dựa trên các nguyên tố germanium, antimon, selen và Tellurium, được gọi là GSST (Liên lạc thiên nhiên 10 4279). Họ phát hiện ra rằng mặc dù cả trạng thái thủy tinh và tinh thể của những vật liệu này đều trong suốt đối với ánh sáng hồng ngoại nhưng chúng có chỉ số khúc xạ rất khác nhau. Điều này có thể được khai thác để tạo ra hệ thống quang học có thể cấu hình lại để điều khiển ánh sáng hồng ngoại.
Tuyệt Quân Hồ, một nhà khoa học vật liệu tại Viện Công nghệ Massachusetts, cho biết thay vì có một thiết bị quang học với một ứng dụng, bạn có thể lập trình cho nó có nhiều chức năng khác nhau. “Bạn thậm chí có thể chuyển từ thấu kính sang cách tử nhiễu xạ hoặc lăng kính,” ông giải thích.
Hu cho biết, các đặc tính của PCM được tận dụng tốt nhất bằng cách tạo ra các siêu vật liệu quang học, trong đó các cấu trúc có bước sóng phụ, kích thước nano được tạo hình trên bề mặt và mỗi cấu trúc được điều chỉnh để tương tác với ánh sáng theo một cách cụ thể nhằm tạo ra hiệu ứng mong muốn, chẳng hạn như lấy nét. một chùm ánh sáng. Khi một dòng điện được đưa vào vật liệu, cách các cấu trúc nano bề mặt tương tác với ánh sáng sẽ thay đổi khi trạng thái và chiết suất của vật liệu chuyển đổi.
Nhóm nghiên cứu đã chứng minh rằng họ có thể tạo ra các thành phần như ống kính zoom và cửa chớp quang học có thể nhanh chóng tắt chùm ánh sáng. Kathleen Richardson, một chuyên gia về vật liệu quang học và quang tử tại Đại học Trung tâm Florida, người đã làm việc với Hu về vật liệu GSST, cho biết những vật liệu này có thể đơn giản hóa và giảm kích thước của cảm biến và các thiết bị quang học khác. Chúng sẽ cho phép kết hợp nhiều cơ chế quang học, giảm số lượng các bộ phận riêng lẻ và loại bỏ nhu cầu về các bộ phận cơ học khác nhau. Richardson giải thích: “Nhiều chức năng trong cùng một thành phần làm cho nền tảng nhỏ hơn, gọn hơn và trọng lượng nhẹ hơn”.
Kính bất tử
Paul Bingham, người chuyên về thủy tinh và gốm sứ tại Đại học Sheffield Hallam, Vương quốc Anh, cho biết: “Bạn có thể bẻ cong các định luật vật lý, nhưng không thể phá vỡ chúng”. “Về cơ bản, thủy tinh là một vật liệu dễ vỡ và nếu bạn tác dụng đủ lực lên một phần đủ nhỏ của kính thì nó sẽ vỡ.” Tuy nhiên, có nhiều cách khác nhau để cải thiện hiệu suất của họ.
Hãy xem xét điện thoại di động. Hầu hết màn hình điện thoại thông minh đều được làm từ kính cường lực hóa học, trong đó phổ biến nhất là Gorilla Glass. Được phát triển bởi Corning vào những năm 2000, loại kính mỏng nhưng bền, chống trầy xước này hiện có thể được tìm thấy trong khoảng XNUMX tỷ điện thoại thông minh, máy tính bảng và các thiết bị điện tử khác. Nhưng kính cường lực hóa học không hoàn toàn không thể vỡ được. Trên thực tế, màn hình điện thoại của Bingham đã bị hỏng. “Tôi đã đánh rơi nó một lần, rồi lại thả nó lần nữa và nó rơi đúng vào cùng một điểm và trò chơi kết thúc,” anh nói.
Để cải thiện độ bền của màn hình kính hơn nữa, Bingham đã và đang thực hiện một dự án mang tên “Chế tạo sự bất tử” với các nhà khoa học polymer tại Đại học Northumbria, do nhà hóa học dẫn đầu. Justin Perry, những người đã phát triển các polyme tự phục hồi. Nếu bạn cắt đôi các polyme tự phục hồi này và sau đó đẩy các mảnh lại với nhau, theo thời gian, chúng sẽ liên kết lại với nhau. Các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm việc phủ các vật liệu như vậy lên kính.
Nếu bạn tác dụng đủ lực, những màn hình này vẫn sẽ bị vỡ, nhưng nếu bạn đánh rơi một chiếc và làm nứt lớp polymer thì nó có thể tự lành lại. Điều này sẽ xảy ra trong điều kiện nhiệt độ phòng, xung quanh, mặc dù việc làm nóng chúng lên một chút, ví dụ như để chúng ở nơi nào đó ấm áp, có thể đẩy nhanh quá trình. Bingham nói: “Đó là việc cải thiện tuổi thọ của sản phẩm, làm cho chúng bền vững hơn và bền bỉ hơn”. Và nó có thể hữu ích cho nhiều sản phẩm sử dụng kính làm lớp bảo vệ chứ không chỉ riêng điện thoại thông minh.
