从固定骨骼到制作抗菌表面， 迈克尔艾伦 与制造具有额外功能和性能的玻璃的研究人员交谈
玻璃在日常生活中无处不在。它高度透明、稳定且耐用，是多种应用的重要材料，从简单的窗户到我们最新小工具上的触摸屏，再到高科技传感器的光子元件。
最常见的玻璃由二氧化硅、石灰和苏打制成。但几个世纪以来，玻璃中添加了额外的成分，以赋予玻璃颜色和耐热性等特性。研究人员仍在研究玻璃，寻求赋予其更多功能并提高其执行特定任务的性能，创造出越来越高科技的玻璃以及所谓的“智能”玻璃。
智能材料不容易定义，但从广义上讲，它们被设计为以特定方式响应外部刺激。就玻璃而言，最明显的“智能”应用是窗户，特别是控制穿过玻璃的光量。这样我们就可以提高任何建筑物的能源效率：减少夏季的热量，同时在寒冷的天气保持温暖。
窗口电压
某些智能玻璃的颜色或不透明度可以通过向材料施加电压来改变，从而以可逆的方式改变某些光学特性，例如吸收和反射率。这种“电致变色”智能窗户可以根据需要控制某些频率的光的透射率，例如紫外线或红外线，甚至完全阻挡它们。这项技术的应用不仅在建筑物中很受欢迎，而且在电子显示屏和有色车窗中也很受欢迎。
事实上，电致变色窗领先于该领域的其他技术，并且已经商业化。但尽管运作良好，它们也有一些明显的缺点。它们相当复杂且昂贵，对旧建筑进行改造通常需要安装新的窗户、窗框和电气连接。它们也不是自动的——您需要打开和关闭它们。
为了解决其中一些问题，研究人员一直在研究热致变色窗户，这种窗户是由温度而不是电压的变化触发的。它们的一大吸引力在于它们是被动的——一旦安装，它们的特性就会随着环境温度而变化，不需要人工输入。制造这种热致变色窗户的主要方法是在玻璃上涂上二氧化钒涂层（焦耳 10.1016 / j.joule.2018.06.018），但也可以使用其他材料，例如钙钛矿（J.应用程序。活力 254 113690）。这些材料会经历相变，随着温度的变化而变得或多或少透明，这种效果可以根据不同的条件进行调整。
虽然二氧化钒在智能窗户方面显示出很大的前景，但仍有一些障碍需要克服。由于其强吸收性，二氧化钒会产生令人不快的棕黄色，需要进一步研究环境稳定性（副词。制造商。 6 1）。最近的一项审查还表明，尽管这些技术可以显着节省能源，但仍需要对其在现实环境中的使用和影响进行更多研究。例如，人们发现，使用相同类型薄膜的不同城市之间热致变色窗户的能源性能差异很大，但同一城市使用的不同类型薄膜之间的差异要小得多（J.应用程序。活力 255 113522).
但高科技玻璃并不仅限于智能窗户。研究人员发现，如果他们在玻璃中添加更多不寻常的金属，可以帮助保护太阳能电池板并提高其效率（见方框：改进光伏盖板玻璃）。与此同时，生物活性玻璃可以帮助我们重新生长骨骼和其他组织（见方框：固定骨骼和其他组织），而新的蚀刻工艺可以让我们在玻璃上添加多种功能，而无需表面涂层（见方框：抗反射） 、自清洁和抗菌）。尽管不是传统的光学玻璃，但新型相变材料可以帮助创建更轻、更紧凑的光学系统（见方框：光的非机械控制）。最后，玻璃有一天甚至可能能够自我修复（见专栏：不朽的玻璃）。
改进光伏盖板玻璃
这似乎令人惊讶，但并非所有阳光都对太阳能电池有利。虽然光伏装置将红外线和可见光转化为电能，但紫外线 (UV) 会损坏它们。就像晒伤一样，紫外线会对有机光伏电池中使用的碳基聚合物产生负面影响。研究人员发现，紫外线造成的损坏使有机半导体层的电阻更强，从而降低了电流和电池的整体效率。
这个问题不仅限于有机细胞。紫外线还阻碍了更常见的硅基光伏发电，该光伏发电由不同材料的堆叠组成。硅基光活性层夹在聚合物之间，以防止其进水，然后该装置顶部装有玻璃盖，进一步保护其免受自然因素的影响，同时允许阳光透过。紫外线的问题在于它会损坏聚合物，使水渗透并腐蚀电极。
保罗宾厄姆英国谢菲尔德哈勒姆大学的玻璃专家解释说，为了提高太阳能电池板的效率，“过去几十年的首要方向是让玻璃变得越来越清晰”。这意味着要去除使玻璃着色的化学物质，例如铁，它会产生绿色色调。不幸的是，正如宾汉姆解释的那样，这会让更多的紫外线透过，进一步损坏聚合物。
因此，宾厄姆和他的同事们一直在走向另一个方向——他们对玻璃进行化学掺杂，使其吸收有害的紫外线，但对有用的红外线和可见光是透明的。铁仍然不是理想的添加剂，因为它吸收一些可见光和红外波长，对于铬和钴等其他第一行过渡金属也是如此。
相反，宾汉姆的团队一直在试验通常不会添加到玻璃中的第二和第三行过渡元素，例如铌、钽和锆，以及铋和锡等其他金属。它们产生强烈的紫外线吸收，而没有任何可见的着色。当用于玻璃盖板时，可以延长光伏电池的使用寿命，并帮助它们保持更高的效率，从而在更长时间内产生更多的电力。
这个过程还有另一个好处。宾汉姆说：“我们发现，许多掺杂剂吸收紫外光子，损失一些能量，然后将它们重新发射为可见光子，所以基本上是荧光。”它们产生可以转化为电能的有用光子。在最近的一项研究中，研究人员表明，与标准盖板玻璃相比，这种玻璃可以将太阳能模块的效率提高高达约 8%（程序。在光伏领域 10.1002/点.3334).
固定骨骼和其他组织
1969 年，佛罗里达大学的生物医学工程师拉里·亨奇 (Larry Hench) 正在寻找一种可以与骨骼粘合而不被人体排斥的材料。在为美国陆军医学研究和设计司令部制定提案时，亨奇意识到需要一种新型材料，既可以与体内组织形成活的结合，又不会像金属那样被排斥和塑料植入物。他最终合成了 Bioglass 45S5，这是一种特殊的生物活性玻璃成分，现已由佛罗里达大学注册为商标。
生物活性玻璃是氧化钠、氧化钙、二氧化硅和五氧化二磷的特定组合，现在被用作骨科治疗，以恢复受损的骨骼和修复骨缺损。 “生物活性玻璃是一种材料，放入体内后它就会开始溶解，当它溶解时，它实际上会告诉细胞和骨骼变得更加活跃并产生新骨骼，”说 朱利安·琼斯是该材料方面的专家，来自英国伦敦帝国理工学院。
琼斯解释说，玻璃效果如此出色有两个主要原因。首先，当它溶解时，会形成羟基碳酸盐磷灰石的表面层，类似于骨骼中的矿物质。这意味着它与骨骼相互作用，并且身体将其视为本地物体，而不是外来物体。其次，当玻璃溶解时，它会释放出离子，向细胞发出信号以产生新骨。
在临床上，生物活性玻璃主要用作粉末，形成油灰，然后推入骨缺损处，但琼斯和他的同事一直在研究 3D 打印的支架类材料，用于更大规模的结构修复。这些是生物活性玻璃和聚合物的无机-有机混合物，他们称之为弹性生物玻璃。 3D 打印的架构提供了良好的机械性能，同时也是一种鼓励细胞以正确方式生长的结构。事实上，琼斯发现，通过改变支架的孔径，可以促进骨髓干细胞生长骨骼或软骨。 “我们在弹性生物玻璃软骨方面取得了巨大的成功，”琼斯说。
生物活性玻璃还被用于再生慢性伤口，例如由糖尿病溃疡引起的伤口。研究表明，像玻璃棉一样的敷料可以治愈其他治疗方法无效的伤口，例如糖尿病足溃疡。国际。 伤口 J。 19 791).
但琼斯表示，生物活性玻璃最常见的用途是在一些敏感牙膏中，它可以促进牙齿的自然矿化。 “你的牙齿很敏感，因为牙齿中央有进入神经腔的小管，所以如果你矿化这些小管，就无法进入牙髓腔，”他解释道。
防反光、自洁、抗菌
伦敦大学学院的研究人员一直在玻璃表面蚀刻纳米级结构，以赋予其多种不同的功能。过去曾尝试过类似的技术，但事实证明，以足够精细的细节构建玻璃表面具有挑战性且复杂。纳米工程师 扬尼斯·帕帕康斯坦丁努 然而，他和他的同事最近开发了一种新颖的光刻工艺，使他们能够以纳米级精度对玻璃进行细节处理（进阶 母校 33 2102175).
受到使用类似结构进行光学和声学伪装的飞蛾的启发，研究人员在玻璃表面雕刻了一系列亚波长纳米级锥体，以减少其反射率。他们发现这种结构化表面反射的光量不到 3%，而对照玻璃反射的光量约为 7%。 Papakonstantinou 解释说，纳米锥通过平滑通常突然的空气到玻璃的转变，帮助弥合玻璃表面的折射率和空气的折射率之间的变化。这减少了散射，从而减少了表面反射的光量。
该表面还具有超疏水性，可以排斥水滴和油滴，从而使它们从纳米结构中捕获的空气垫上弹开。帕帕康斯坦丁努解释说，当水滴滚落时，它们会沾上污染物和污垢，使玻璃具有自清洁功能。最后一个好处是，细菌在玻璃上难以生存，尖锐的锥体会刺穿它们的细胞膜。专注于 金黄色葡萄球菌 – 引起葡萄球菌感染的细菌 – 扫描电子显微镜显示，沉积在表面的细菌有 80% 死亡，而标准玻璃上的细菌只有 10% 左右。研究人员表示，这是抗菌玻璃表面的首次展示。
光的非机械控制
在光学系统中，光通常由移动部件控制，例如可以操纵透镜来改变光的焦点或控制光束。但一类新型相变材料（PCM）可以在无需任何机械干预的情况下改变光学元件的特性。
当施加某种形式的能量（例如电流）时，PCM 可以在有组织的晶体结构与非晶态和玻璃状结构之间切换。这种材料长期以来一直用于在光盘上存储数据，其中两个相代表两种二进制状态。但除了这些应用之外，这些材料还没有真正用于光学领域，因为其中一相通常是不透明的。
然而，最近，美国的研究人员创建了一种基于锗、锑、硒和碲元素的新型相变材料，称为 GSST（自然通讯 10 4279）。他们发现，虽然这些材料的玻璃态和晶态对红外光都是透明的，但它们的折射率差异很大。这可以用来创建可以控制红外光的可重新配置的光学器件。
胡珏军麻省理工学院的材料科学家表示，您可以对其进行编程以使其具有多种不同的功能，而不是仅拥有一种应用的光学设备。 “你甚至可以从透镜切换到衍射光栅或棱镜，”他解释道。
Hu 说，通过创建光学超材料，可以最好地利用 PCM 的特性，在光学超材料中，在表面形成纳米级、亚波长结构，并且每个结构都经过调整以特定方式与光相互作用，以产生所需的效果，例如聚焦一束光。当电流施加到材料上时，表面纳米结构与光相互作用的方式会随着材料的状态和折射率的变化而变化。
该团队已经证明，它可以创建诸如变焦镜头和光学快门之类的元件，可以快速关闭光束。 凯瑟琳·理查德森与胡一起研究 GSST 材料的中佛罗里达大学光学材料和光子学专家表示，这些材料可以简化并减小传感器和其他光学设备的尺寸。它们可以组合多个光学机构，减少单个零件的数量，并消除对各种机械元件的需求。 “同一组件中的多种功能使平台更小、更紧凑、重量更轻，”理查森解释道。
不朽琉璃
“你可以扭曲物理定律，但你无法打破它们，”英国谢菲尔德哈勒姆大学玻璃和陶瓷专业研究人员保罗·宾汉姆 (Paul Bingham) 说。 “从根本上来说，玻璃是一种脆性材料，如果你对玻璃的足够小的部分施加足够的力，它就会破裂。”尽管如此，仍有多种方法可以提高它们的性能。
考虑手机。大多数智能手机屏幕均由化学钢化玻璃制成，最常见的是 Gorilla玻璃。这种坚固、防刮且薄的玻璃由康宁公司于 2000 年代开发，现已应用于约 XNUMX 亿部智能手机、平板电脑和其他电子设备中。但化学强化玻璃并非完全牢不可破。事实上，宾厄姆的手机屏幕坏了。 “我把它扔掉了一次，然后我又把它扔掉了，它落在了完全相同的点上，游戏就结束了，”他说。
为了进一步提高玻璃屏幕的耐用性，宾厄姆一直在与诺森比亚大学的化学家领导的聚合物科学家合作开展一个名为“制造永生”的项目 贾斯汀·佩里（Justin Perry），他们开发了自修复聚合物。如果你将这些自修复聚合物切成两半，然后将它们推到一起，它们最终会重新连接在一起。研究人员一直在尝试将此类材料的涂层应用于玻璃。
如果你施加足够的力，这些屏幕仍然会破裂，但如果你掉落了一个并破裂了聚合物层，它就可以自我修复。这将在环境室温条件下发生，尽管稍微加热它们，例如将它们放在温暖的地方，可以加快这一过程。宾厄姆说：“这是为了延长产品的使用寿命，使它们更具可持续性和弹性。”它不仅适用于智能手机，还适用于许多使用玻璃作为保护层的产品。
