Ein neuartiges Fenster zu „intelligentem“ Glas

Von der Knochenfixierung bis zur Herstellung antibakterieller Oberflächen,Michael Allenspricht mit den Forschern, die Glas herstellen, das über zusätzliche Funktionalität und Leistung verfügt

Glas ist im Alltag allgegenwärtig. Aufgrund seiner hohen Transparenz, Stabilität und Haltbarkeit ist es ein wichtiges Material für eine Vielzahl von Anwendungen, von einfachen Fenstern über Touchscreens unserer neuesten Geräte bis hin zu photonischen Komponenten für High-Tech-Sensoren.

Die gebräuchlichsten Gläser werden aus Kieselsäure, Kalk und Soda hergestellt. Doch seit Jahrhunderten werden dem Glas weitere Inhaltsstoffe zugesetzt, um ihm Eigenschaften wie Farbe und Hitzebeständigkeit zu verleihen. Und Forscher arbeiten immer noch an Glas, um ihm weitere Funktionalitäten zu verleihen und seine Leistung für bestimmte Aufgaben zu verbessern, und schaffen immer mehr High-Tech-Glas und etwas, das man als „intelligentes“ Glas bezeichnen könnte.

Intelligente Materialien sind nicht einfach zu definieren, aber im Großen und Ganzen sind sie so konzipiert, dass sie auf spezifische Weise auf äußere Reize reagieren. Was Glas betrifft, sind Fenster die offensichtlichste „intelligente“ Anwendung – insbesondere die Steuerung der Lichtmenge, die durch das Glas fällt. Auf diese Weise können wir die Energieeffizienz jedes Gebäudes steigern: Wir reduzieren die Hitze im Sommer und halten es bei kälterem Wetter warm.

Die Farbe oder Opazität einiger intelligenter Gläser kann durch Anlegen einer Spannung an das Material verändert werden, wodurch bestimmte optische Eigenschaften – wie Absorption und Reflexion – auf reversible Weise verändert werden. Solche „elektrochromen“ intelligenten Fenster können bei Bedarf die Durchlässigkeit bestimmter Lichtfrequenzen wie Ultraviolett oder Infrarot steuern oder sie sogar ganz blockieren. Der Einsatz dieser Technologie erfreut sich nicht nur in Gebäuden großer Beliebtheit, sondern auch in elektronischen Displays und getönten Autoscheiben.

Tatsächlich sind elektrochrome Fenster anderen Technologien auf diesem Gebiet voraus und wurden bereits kommerzialisiert. Obwohl sie gut funktionieren, haben sie einige offensichtliche Nachteile. Sie sind recht komplex und teuer, und die Nachrüstung älterer Gebäude erfordert in der Regel den Einbau neuer Fenster, Fensterrahmen und Elektroanschlüsse. Sie funktionieren auch nicht automatisch – Sie müssen sie ein- und ausschalten.

Um einige dieser Probleme anzugehen, haben Forscher an thermochromen Fenstern gearbeitet, die durch Temperaturänderungen statt durch Spannung ausgelöst werden. Ein großer Vorteil besteht darin, dass sie passiv sind – sobald sie installiert sind, ändern sich ihre Eigenschaften mit der Umgebungstemperatur, ohne dass ein menschliches Zutun erforderlich ist. Die vorherrschende Methode zur Herstellung solcher thermochromen Fenster ist das Aufbringen einer Beschichtung aus Vanadiumdioxid auf Glas (Joule 10.1016/j.joule.2018.06.018), aber auch andere Materialien wie Perowskite können verwendet werden (J. App. Energy254 113690). Diese Materialien durchlaufen einen Phasenübergang und werden bei Temperaturänderungen mehr oder weniger transparent, ein Effekt, der auf unterschiedliche Bedingungen abgestimmt werden kann.

Während Vanadiumdioxid für intelligente Fenster vielversprechend ist, gibt es noch Hürden zu überwinden. Aufgrund seiner starken Absorption erzeugt Vanadiumdioxid einen unangenehmen bräunlich-gelben Farbton und es sind weitere Arbeiten zur Umweltstabilität erforderlich (Adv. Manuf.6 1). Eine kürzlich durchgeführte Überprüfung legt auch nahe, dass diese Technologien zwar zu erheblichen Energieeinsparungen führen könnten, dass jedoch weitere Untersuchungen zu ihrem Einsatz und ihren Auswirkungen in der Praxis erforderlich sind. Beispielsweise wurde festgestellt, dass die Energieleistung von thermochromen Fenstern zwischen verschiedenen Städten, in denen derselbe Folientyp verwendet wird, stark schwankt, jedoch weit weniger zwischen verschiedenen Folientypen, die in derselben Stadt verwendet werden (J. App. Energy255113522).

Aber Hightech-Glas endet nicht bei intelligenten Fenstern. Forscher haben herausgefunden, dass die Zugabe ungewöhnlicherer Metalle zu Glas dazu beitragen kann, Solarmodule zu schützen und sie effizienter zu machen (siehe Kasten: Verbesserung des Deckglases für Photovoltaik). Bioaktives Glas kann uns dabei helfen, Knochen und anderes Gewebe nachwachsen zu lassen (siehe Kasten: Knochen und anderes Gewebe reparieren), während neue Ätzverfahren es uns ermöglichen könnten, Glas mehrere Funktionen hinzuzufügen, ohne dass Oberflächenbeschichtungen erforderlich sind (siehe Kasten: Antireflexion). , selbstreinigend und antibakteriell). Und obwohl es sich nicht um herkömmliche optische Gläser handelt, könnten neue Phasenwechselmaterialien dazu beitragen, leichtere und kompaktere optische Systeme zu schaffen (siehe Kasten: Nicht-mechanische Lichtsteuerung). Schließlich könnte Glas eines Tages sogar in der Lage sein, sich selbst zu heilen (siehe Kasten: Unsterbliches Glas).

Es mag überraschend erscheinen, aber nicht jedes Sonnenlicht ist gut für Solarzellen. Während Photovoltaikanlagen infrarotes und sichtbares Licht in elektrische Energie umwandeln, schädigt sie ultraviolettes (UV) Licht. Genau wie bei einem Sonnenbrand wirkt sich UV-Licht negativ auf die kohlenstoffbasierten Polymere aus, die in organischen Photovoltaikzellen verwendet werden. Forscher haben herausgefunden, dass die Schädigung durch UV-Licht die organische Halbleiterschicht elektrisch widerstandsfähiger macht, was den Stromfluss und die Gesamteffizienz der Zelle verringert.

Dieses Problem ist nicht auf organische Zellen beschränkt. UV-Licht beeinträchtigt auch die verbreitetere Photovoltaik auf Siliziumbasis, die aus einem Stapel verschiedener Materialien besteht. Die fotoaktive Schicht auf Siliziumbasis ist zwischen Polymeren eingebettet, die sie vor dem Eindringen von Wasser schützen. Anschließend wird diese Einheit mit einer Glasabdeckung versehen, die sie zusätzlich vor Witterungseinflüssen schützt und gleichzeitig Sonnenlicht durchlässt. Das Problem bei UV-Licht besteht darin, dass es die Polymere schädigt, wodurch Wasser eindringen und die Elektroden korrodieren kann.

Paul Bingham, Glasexperte an der Sheffield Hallam University im Vereinigten Königreich, erklärt, dass die Verbesserung der Effizienz von Solarmodulen „in den letzten Jahrzehnten vor allem darin bestand, das Glas immer klarer zu machen“. Das bedeutet, Chemikalien zu entfernen, die das Glas färben, wie zum Beispiel Eisen, das einen grünen Farbton erzeugt. Leider lässt dies, wie Bingham erklärt, mehr UV-Licht durch, was das Polymer noch weiter schädigt.

Bingham und seine Kollegen sind daher in die andere Richtung gegangen: Sie haben Glas chemisch so dotiert, dass es schädliches UV-Licht absorbiert, aber für das nützliche Infrarot- und sichtbare Licht transparent ist. Eisen ist immer noch kein idealer Zusatzstoff, da es einige sichtbare und infrarote Wellenlängen absorbiert, und das Gleiche gilt für andere Übergangsmetalle der ersten Reihe wie Chrom und Kobalt.

Stattdessen experimentierte Binghams Team mit Übergangselementen der zweiten und dritten Reihe, die normalerweise nicht zu Glas hinzugefügt würden, wie Niob, Tantal und Zirkonium, zusammen mit anderen Metallen wie Wismut und Zinn. Diese erzeugen eine starke UV-Absorption ohne sichtbare Verfärbung. Bei der Verwendung im Deckglas verlängert sich die Lebensdauer der Photovoltaik und sie erhalten einen höheren Wirkungsgrad, sodass sie länger mehr Strom erzeugen.

Das Verfahren hat noch einen weiteren Vorteil. „Was wir herausgefunden haben, ist, dass viele der Dotierstoffe UV-Photonen absorbieren, etwas Energie verlieren und sie dann als sichtbare Photonen, also im Grunde genommen Fluoreszenz, wieder abgeben“, sagt Bingham. Sie erzeugen nützliche Photonen, die in elektrische Energie umgewandelt werden können. In einer aktuellen Studie zeigten die Forscher, dass solche Gläser die Effizienz von Solarmodulen im Vergleich zu Standard-Deckgläsern um bis zu etwa 8 % verbessern können (Prog. in Photovoltaics 10.1002/pip.3334).

Im Jahr 1969 suchte der biomedizinische Ingenieur Larry Hench von der University of Florida nach einem Material, das sich mit Knochen verbinden konnte, ohne vom menschlichen Körper abgestoßen zu werden. Während er an einem Vorschlag für das Medical Research and Design Command der US-Armee arbeitete, erkannte Hench, dass ein Bedarf an einem neuartigen Material bestand, das eine lebendige Verbindung mit Geweben im Körper eingehen konnte, ohne dabei abgestoßen zu werden, wie es bei Metall oft der Fall ist und Kunststoffimplantate. Er synthetisierte schließlich Bioglass 45S5, eine besondere Zusammensetzung aus bioaktivem Glas, die heute von der University of Florida geschützt ist.

Bioaktives Glas, eine spezielle Kombination aus Natriumoxid, Calciumoxid, Siliziumdioxid und Phosphorpentoxid, wird heute als orthopädische Behandlung zur Wiederherstellung beschädigter Knochen und zur Reparatur von Knochendefekten eingesetzt. „Bioaktives Glas ist ein Material, das man in den Körper einbringt und das sich aufzulösen beginnt. Dabei weist es Zellen und Knochen tatsächlich an, aktiver zu werden und neuen Knochen zu produzieren“, sagt Julian Jones, ein Materialexperte von Imperial College London, Großbritannien.

Jones erklärt, dass es zwei Hauptgründe gibt, warum das Glas so gut funktioniert. Erstens bildet es beim Auflösen eine Oberflächenschicht aus Hydroxycarbonat-Apatit, das dem Mineral im Knochen ähnelt. Das bedeutet, dass es mit dem Knochen interagiert und der Körper es als einheimisches und nicht als fremdes Objekt betrachtet. Zweitens setzt das Glas beim Auflösen Ionen frei, die den Zellen das Signal geben, neuen Knochen zu produzieren.

Klinisch wird bioaktives Glas hauptsächlich als Pulver verwendet, das zu einem Kitt geformt und dann in den Knochendefekt gedrückt wird. Jones und seine Kollegen haben jedoch an 3D-gedruckten gerüstähnlichen Materialien für größere strukturelle Reparaturen gearbeitet. Dabei handelt es sich um anorganisch-organische Hybride aus bioaktivem Glas und Polymer, die sie als federndes Bioglas bezeichnen. Die 3D-gedruckte Architektur bietet gute mechanische Eigenschaften, aber auch eine Struktur, die das richtige Wachstum der Zellen fördert. Tatsächlich hat Jones herausgefunden, dass durch die Veränderung der Porengröße des Gerüsts Knochenmarksstammzellen zum Wachstum von Knochen oder Knorpel angeregt werden können. „Wir hatten großen Erfolg mit federndem Bioglass-Knorpel“, sagt Jones.

Bioaktives Glas wird auch zur Regeneration chronischer Wunden eingesetzt, beispielsweise bei diabetischen Geschwüren. Untersuchungen haben gezeigt, dass Watte-ähnliche Glasverbände Wunden wie diabetische Fußgeschwüre heilen können, die auf andere Behandlungen nicht angesprochen haben (Int. Wound J. 19 791).

Jones sagt jedoch, dass bioaktives Glas am häufigsten in einigen empfindlichen Zahnpasten verwendet wird, wo es die natürliche Mineralisierung der Zähne anregt. „Sie haben empfindliche Zähne, weil Sie Tubuli haben, die in die Nervenhöhle in der Mitte des Zahns reichen. Wenn Sie diese Tubuli also mineralisieren, gibt es keinen Weg in die Pulpahöhle“, erklärt er.

Am University College London haben Forscher nanoskalige Strukturen in die Oberfläche von Glas geätzt, um ihm mehrere verschiedene Funktionen zu verleihen. Ähnliche Techniken wurden in der Vergangenheit ausprobiert, aber es hat sich als schwierig und kompliziert erwiesen, die Glasoberfläche mit ausreichend feinen Details zu strukturieren. Der Nanoingenieur Ioannis Papakonstantinou und seine Kollegen haben jedoch kürzlich ein neuartiges Lithographieverfahren entwickelt, das es ihnen ermöglicht, Glas mit nanoskaliger Präzision zu detaillieren (Adv. Mater.332102175).

Inspiriert von Motten, die ähnliche Strukturen zur optischen und akustischen Tarnung verwenden, gravierten die Forscher eine Glasoberfläche mit einer Reihe nanoskaliger Zapfen im Subwellenlängenbereich, um deren Reflexionsvermögen zu verringern. Sie fanden heraus, dass diese strukturierte Oberfläche weniger als 3 % des Lichts reflektierte, während ein Kontrollglas etwa 7 % reflektierte. Papakonstantinou erklärt, dass die Nanokegel dabei helfen, Änderungen zwischen dem Brechungsindex der Glasoberfläche und dem von Luft zu überbrücken, indem sie den normalerweise abrupten Übergang von Luft zu Glas glätten. Dies reduziert die Streuung und damit die Lichtmenge, die von der Oberfläche reflektiert wird.

Die Oberfläche ist außerdem superhydrophob und weist Wasser- und Öltröpfchen ab, sodass diese von den in den Nanostrukturen eingeschlossenen Luftpolstern abprallen. Beim Abperlen nehmen die Tröpfchen Verunreinigungen und Schmutz auf und sorgen so für eine Selbstreinigung des Glases, wie Papakonstantinou erklärt. Und als letzter Vorteil kämpfen Bakterien auf dem Glas ums Überleben, da die scharfen Zapfen ihre Zellmembranen durchbohren. Mit Blick auf Staphylococcus aureus – das Bakterium, das Staphylokokkeninfektionen verursacht – hat die Rasterelektronenmikroskopie gezeigt, dass 80 % der Bakterien, die sich auf der Oberfläche ansiedeln, absterben, verglichen mit etwa 10 % auf Standardglas. Den Forschern zufolge handelt es sich hierbei um den ersten Nachweis einer antibakteriellen Glasoberfläche.

Licht wird in optischen Systemen im Allgemeinen durch bewegliche Teile gesteuert, beispielsweise eine Linse, die manipuliert werden kann, um den Brennpunkt des Lichts zu ändern oder einen Strahl zu lenken. Doch eine neue Klasse von Phasenwechselmaterialien (PCMs) könnte die Eigenschaften optischer Komponenten ohne mechanischen Eingriff verändern.

Ein PCM kann zwischen einer organisierten kristallinen Struktur und einer amorphen und glasartigen Struktur wechseln, wenn irgendeine Form von Energie, beispielsweise elektrischer Strom, angelegt wird. Solche Materialien werden seit langem zum Speichern von Daten auf optischen Datenträgern verwendet, wobei die beiden Phasen die beiden binären Zustände darstellen. In der Optik werden diese Materialien jedoch kaum über solche Anwendungen hinaus genutzt, da eine der Phasen normalerweise undurchsichtig ist.

Kürzlich haben Forscher in den USA jedoch eine neue Klasse von PCMs basierend auf den Elementen Germanium, Antimon, Selen und Tellur entwickelt, bekannt als GSST (Nature Comms10 4279). Sie entdeckten, dass sowohl der glasartige als auch der kristalline Zustand dieser Materialien zwar für Infrarotlicht transparent sind, sie jedoch stark unterschiedliche Brechungsindizes aufweisen. Dies kann ausgenutzt werden, um rekonfigurierbare Optiken zu schaffen, die Infrarotlicht steuern können.

Juejun Hu, Materialwissenschaftler am Massachusetts Institute of Technology, sagt, dass man statt eines optischen Geräts mit einer Anwendung mehrere verschiedene Funktionen programmieren kann. „Man könnte sogar von einer Linse zu einem Beugungsgitter oder einem Prisma wechseln“, erklärt er.

Die Eigenschaften von PCMs lassen sich laut Hu am besten durch die Schaffung optischer Metamaterialien nutzen, bei denen nanoskalige Subwellenlängenstrukturen auf der Oberfläche geformt werden und jede so abgestimmt ist, dass sie auf eine bestimmte Weise mit Licht interagiert, um einen gewünschten Effekt zu erzeugen, beispielsweise eine Fokussierung ein Lichtstrahl. Wenn ein elektrischer Strom an das Material angelegt wird, ändert sich die Art und Weise, wie die Oberflächennanostrukturen mit dem Licht interagieren, wenn sich der Zustand und der Brechungsindex des Materials ändern.

Das Team hat bereits gezeigt, dass es Elemente wie Zoomobjektive und optische Verschlüsse herstellen kann, die einen Lichtstrahl schnell ausschalten können. Kathleen Richardson, Expertin für optische Materialien und Photonik an der University of Central Florida, die mit Hu an den GSST-Materialien gearbeitet hat, sagt, dass diese Materialien Sensoren und andere optische Geräte vereinfachen und deren Größe reduzieren könnten. Sie würden die Kombination mehrerer optischer Mechanismen ermöglichen, die Anzahl der Einzelteile reduzieren und den Einsatz verschiedener mechanischer Elemente überflüssig machen. „Mehrere Funktionen in derselben Komponente machen die Plattform kleiner, kompakter und leichter“, erklärt Richardson.

„Man kann die Gesetze der Physik verbiegen, aber man kann sie nicht brechen“, sagt Paul Bingham, der sich an der Sheffield Hallam University im Vereinigten Königreich auf Gläser und Keramik spezialisiert hat. „Grundsätzlich ist Glas ein sprödes Material, und wenn man ausreichend Kraft auf einen ausreichend kleinen Teil des Glases ausübt, wird es zerbrechen.“ Dennoch gibt es verschiedene Möglichkeiten, ihre Leistung zu verbessern.

Denken Sie an Mobiltelefone. Die meisten Smartphone-Bildschirme bestehen aus chemisch gehärtetem Glas, am häufigsten ist Gorilla-Glas. Dieses starke, kratzfeste und dennoch dünne Glas wurde in den 2000er Jahren von Corning entwickelt und ist heute in rund fünf Milliarden Smartphones, Tablets und anderen elektronischen Geräten zu finden. Aber chemisch gehärtetes Glas ist nicht völlig unzerbrechlich. Tatsächlich ist Binghams Telefonbildschirm kaputt. „Ich habe es einmal fallen lassen und dann habe ich es noch einmal fallen lassen und es landete genau am selben Punkt und das war das Spiel vorbei“, sagt er.

Um die Haltbarkeit von Glasbildschirmen weiter zu verbessern, hat Bingham an einem Projekt mit dem Titel „Manufacturing Immortality“ mit Polymerwissenschaftlern der Northumbria University unter der Leitung des Chemikers Justin Perry zusammengearbeitet, die selbstheilende Polymere entwickelt haben. Wenn man diese selbstheilenden Polymere in zwei Hälften schneidet und die Teile dann zusammenschiebt, werden sie mit der Zeit wieder zusammengefügt. Die Forscher haben damit experimentiert, Beschichtungen aus solchen Materialien auf Glas aufzubringen.

Wenn Sie genügend Kraft aufwenden, können diese Siebe immer noch zerbrechen. Wenn Sie jedoch eines fallen lassen und die Polymerschicht reißen, könnte es sich selbst heilen. Dies geschieht unter Umgebungsbedingungen und Zimmertemperatur, obwohl ein leichtes Erhitzen, beispielsweise durch Stehenlassen an einem warmen Ort, den Prozess beschleunigen könnte. „Es geht darum, die Lebensdauer von Produkten zu verlängern, sie nachhaltiger und widerstandsfähiger zu machen“, sagt Bingham. Und es könnte für viele Produkte nützlich sein, die Glas als Schutzschicht verwenden, nicht nur für Smartphones.