|
Разные: Исследователи произвели дешевый и экологичный стеклянный материал
|
Ученые из Германии придумали новый способ производства стекла — он дешевый и экологичный. Метод позволяет делать из стекла даже маленькие детали.
Исследователи объяснили, что стекло используется в высокотехнологичной продукции в области оптики, телекоммуникаций, химии и медицины, а также в повседневных предметах, таких как бутылки и окна. Однако производство стекла в основном основано на таких процессах, как плавление, шлифовка или травление. Эти процессы существуют десятилетиями, являются технологически сложными, энергоемкими и сильно ограничены в плане реализуемых форм. Эту проблему захотели решить ученые из Университета Фрайбурга в Германии.
Благодаря их технологии литья под давлением Glassomer из специального гранулята теперь можно производить стекло и с высокой пропускной способностью при температуре всего 130°C. Затем литые компоненты из 3D-принтера превращаются в стекло в процессе термической обработки; в результате получается чистое кварцевое стекло. Этот процесс требует меньше энергии, чем обычное плавление стекла, что приводит к энергоэффективности и меньшему количеству выбросов.
Исследователи добавили, что так они решили ранее существовавшие проблемы в литье стекла, такие как пористость и абразивный износ частиц. Кроме того, ключевые технологические этапы нового метода были разработаны с учетом использования воды в качестве основного материала, что сделало технологию более экологичной и долговечной.
«Мы видим большой потенциал особенно для небольших высокотехнологичных стеклянных компонентов. Наряду с прозрачностью, очень низкий коэффициент расширения кварцевого стекла делает технологию интересной. Датчики и оптика надежно работают при любой температуре, если ключевые компоненты изготовлены из стекла», — добавили исследователи.
Умное стекло научилось менять цвет в рекордно короткие сроки
Умное стекло может быстро изменить свой цвет под действием электричества. Новый материал, разработанный химиками из Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) в Мюнхене, установил рекорд скорости для такого изменения.
Представьте, что вы едете по шоссе ночью. Идет дождь, ослепляют яркие фары машины позади вас. Как удобно иметь в таком случае зеркало заднего вида с автоматическим затемнением. Технически это полезное дополнение основано на электрохромных материалах. При подаче напряжения их светопоглощение и цвет меняются. Таким образом, зеркало заднего вида, управляемое датчиком освещенности, отфильтрует ослепляющий свет.
Недавно эксперты обнаружили, что, помимо уже известных неорганических электрохромных материалов, новое поколение высокоупорядоченных решетчатых структур — ковалентные органические каркасы (COF) — можно оснастить этой возможностью. Такие материалы состоят из синтетических органических строительных блоков. В подходящих комбинациях они образуют кристаллические и нанопористые сети. Здесь изменение цвета может быть вызвано приложенным электрическим напряжением. Оно вызывает окисление или восстановление материала.
Команда ученых из LMU под руководством Томаса Бейна разработала структуры COF, скорость переключения и эффективность окрашивания которых во много раз выше, чем у неорганических соединений. COF привлекательны тем, что их свойства материалов регулируются в широком диапазоне, стоит лишь изменить их молекулярные строительные блоки. Ученые из LMU в Мюнхене и Кембриджском университете воспользовались этим, чтобы разработать идеальные COF.
Они использовали принцип модульной конструкции COF и разработали идеальный строительный блок для наших целей с конкретной молекулой тиеноизоиндиго. Включенный в COF, новый компонент демонстрирует, насколько сильно он может улучшить его свойства. Например, новый материал не только поглощает ультрафиолетовый свет с более короткой длиной волны или небольшие участки видимого спектра, но и позволяет добиваться хорошей фотоактивности в ближней инфракрасной области спектра.
В то же время новые структуры COF намного более чувствительны к электрохимическому окислению. Даже низкого приложенного напряжения достаточно, чтобы вызвать изменение цвета, которое также полностью обратимо. Это происходит с очень высокой скоростью: время отклика для полного и отчетливого изменения цвета в результате окисления составляет около 0,38 секунды, восстановление до исходного состояния — 0,2 секунды. Это делает электрохромные органические структуры команды электронной конверсии одними из самых быстрых и эффективных в мире.
Исследование продвигает разработку нового класса высокоэффективных электрохромных покрытий. Очевидная потребность в этом проявляется в текущем применении такого «умного стекла», как переключаемые солнцезащитные окна и окна с защитой от солнца для фасадов целых зданий.
Ученые открыли новую форму материи: жидкое стекло
Исследователи из Университета Констанца (Германия) сумели смоделировать структуру и поведение новой формы материи. Она получила название «жидкого стекла», потому что состоит из этого материала, но ведет себя иначе, чем привычное нам твердое стекло. Ученые полагают, что причина в неизвестных доселе аспектах физики частиц, из-за чего они образуют промежуточную форму между жидкостью и кристаллом.
То, что стеклянная масса не является твердым веществом, известно давно. Если взглянуть, как происходит переход от жидкой формы материи к твердой на примере той же воды, то мы увидим четкий упорядоченный процесс. В точке с наименьшей температурой начинают формироваться кристаллы, которые выстраиваются друг за другом в решетку, постепенно занимая весь объем материала. В случае со стеклом все иначе – кристаллическая решетка не образуется, никакого порядка нет, частицы просто застывают на своих местах.
В жидком стекле частицы не теряют подвижности, они могут смещаться в разные стороны. Но при этом вся масса частиц сохраняет строгую ориентацию в одну сторону, будто бы их притягивает некий магнит, хотя никакого магнитного поля нет. Тем не менее, воздействие этой неизвестной силы настолько велико, что растягивает частицы, делая их похожими на волокна в коллоидах. Именно применение коллоидной суспензии и позволило ученым получить модель жидкого стекла.
Частицы в жидком стекле по неизвестной причине не могут сформировать кристалл, вещество оказывается в промежуточном, «подвешенном» состоянии. Из-за этого его поведение и свойства становятся практически непредсказуемыми. Равно как и нет ответа, почему частицы вообще принимают такую форму – в ходе исследований она была подобрана экспериментально, после множества провальных попыток. Как подобные процессы происходят в природе, пока что тоже остается загадкой.
Новая технология позволит пересылать изображение сквозь мутное стекло
Европейские ученые продемонстрировали прототип системы, которая реконструирует «структуру» диффузной преграды и отображает изображение по ту ее сторону.
Диффузная среда, будь то облако или полупрозрачное стекло, наполнена «взвесью» случайно распределенных частиц. Проходящий через нее свет рассеивается на этих частицах, поэтому рассмотреть что-либо сквозь туман столь сложно. Однако ученые из Австрии и Нидерландов продемонстрировали прототип системы, позволяющей передавать изображение через такие диффузные преграды. Статью Стефана Роттера (Stefan Rotter) и его коллег опубликовал журнал Nature Photonics.
Дело в том, что на частицах диффузной среды рассеивается большинство фотонов, но не все. Некоторым из них — «баллистическим» — удается проскочить, не столкнувшись ни с чем по пути и не изменив своей траектории. Теоретически, набрав достаточное количество наблюдений баллистических фотонов, можно реконструировать исходное изображение.
Однако теперь ученые использовали их для того, чтобы реконструировать распределение частиц в самой преграде. Они взяли стекло с внесенными в него сферами оксида цинка и на первом этапе «просветили», чтобы уловленные детектором баллистические фотоны указали, в каких именно участках и по каким траекториям они способны проникать.
Определив таким образом «структуру» преграды, авторы исследования смогли просветить ее уже новым пучком лучей, которые благополучно прошли сквозь мутное стекло и по ту сторону образовали изображение — ковш Большой Медведицы.
Хрупкая красота: теперь стекло можно лить под давлением как пластик
С пластиком намного легче работать, чем со стеклом, и это одна из причин, по которой его используют гораздо чаще. Однако все может измениться благодаря новому процессу, позволяющему литье стекла под давлением — точно так же, как сейчас льют пластик.
«Частицы в основном плавно перетекают друг в друга», — рассказал Коц. «Однако стекло на самом деле остается в форме и просто сжимается примерно на 15% в каждом направлении».
Эта технология не только потенциально позволяет быстро изготавливать сложные детали из стекла в больших количествах, но также не требует температуры в 2000 ºC, необходимой для плавления обычного стекла, что существенно упрощает работу. И в качестве дополнительного бонуса полимерное связующее, которое вымывается из предметов, можно использовать повторно.
«На протяжении десятилетий стекло часто отодвигалось на второй плане, когда речь заходила о материалах в производственных процессах, потому что его формирование слишком сложно, энергоемко и не подходит для создания структур с высокой детализацией», — пояснил Рапп. «С другой стороны, полимеры позволяют все это, но их физические, оптические, химические и термические свойства уступают стеклу. В результате мы нашли решение, совместив обработку полимеров и стекла. Наш процесс позволяет быстро и недорого эффективно заменять стеклом как изделия массового производства, так и сложные полимерные конструкции и компоненты».
Физики научились видеть сквозь кремниевые микросхемы
Британские ученые нашли метод, позволяющий видеть сквозь полупроводниковый материал микросхем. Такой подход наверняка пригодится для производителей электроники, позволяя обнаруживать в микрочипах мельчайшие дефекты.
Свой новый метод исследователи из Университета Глазго, Эксетерского университета и компании QinetiQ Ltd описали в статье, опубликованной журналом Science Advances. В его основе лежит использование терагерцового (или субмиллиметрового) излучения, частота которого расположена между инфракрасным и микроволновым. Как правило, такое излучение хорошо проходит сквозь диэлектрики, но поглощается металлами, оно безопасно и широко применяется на практике, например при «сканировании» багажа.
Чтобы сделать полупроводниковый кремний микросхемы прозрачным для терагерцовых волн, авторы предварительно «накачивали» образец импульсами оптического излучения. Этот луч высвобождал электроны в отдельных участках кремния, временно позволяя терагерцовым волнам проходить сквозь обычно непрозрачный для них образец толщиной 115 мкм. Улавливая отраженный сигнал, ученые сумели просканировать всю поверхность микрочипа и восстановить изображение объекта, помещенного с обратной его стороны.
По сообщению авторов, их метод позволяет регистрировать дефекты размерами до 8 мкм и станет полезным средством контроля качества на фабриках по производству кремниевых микросхем. Возможно, он найдет применение и в биологии для визуализации тонких срезов живых тканей и клеток – именно тонких, поскольку вода слишком хорошо поглощает терагерцовое излучение.
Одно из изображений, «увиденных» авторами сквозь кремниевый микрочип / ©Stantchev et al., 2016
