Jeste li ikada razmišljali o tome što je zapravo staklo?

Što je staklo? Iako se na prvi pogled čini jednostavno, za odgovorom na to pitanje znanstvenici tragaju već dulje vrijeme.

Staklo je tvar čija svojstva još uvijek nisu u potpunosti odgonetnuta. Dobiva se taljenjem sode, kvarcnog pijeska i vapnenca, a još uvijek nije u potpunosti jasno kako iz tekućine prelazi u kruto stanje. Staklo je zapravo tvar koja se može smjestiti negdje između tekućina (čije se molekule slobodno gibaju) i kristala (čije se molekule ne gibaju, već su pravilno raspoređene u kristalnoj rešetci).

Znanstvenici sa Sveučilišta Akron u državi Ohio nadaju se riješiti taj misterij uz pomoć prestižne W. M. Keck Fondation nagrade koja je odlučila s milijun dolara financijski potpomoći upravo njihov projekt. „Što je to što leži u temelju prijelaza stakla iz tekućine u krutinu? Onaj tko to otkrije vjerojatno će osvojiti Nobelovu nagradu“, kaže Dr. David Simmons, docent polimernog inženjerstva na Sveučilištu Akron i voditelj projekta.

„Glavna stvar koju ne razumijemo je zašto se staklo ponaša kao krutina. Ponaša li se tako zato što zaista jest krutina kao i većina minerala i metala? Ili se možda ponaša kao krutina jednostavno zato što je to tekućina čije se molekule vrlo, vrlo sporo gibaju? To je jedna prilično temeljna stvar koju ne znamo o tom materijalu“, kaže Simmons

Od stakla se izrađuju brojni predmeti, uključujući prozorska okna i čaše, ali u staklo se ubrajaju i drugi materijali, kao primjerice plastika. Plastični predmeti su većinom zapravo stakla napravljena od polimera. Postoje i biološka stakla napravljena od šećera koja se koriste u medicini za izradu kapsula i čuvanje lijekova.

„Kako u što kraćem vremenu stvoriti materijal od kojeg ćemo oblikovati staklo, a koji će imati izuzetna svojstva?“, pita Simmons. „Još uvijek nemamo sustavne odgovore kojima bismo mogli predvidjeti kako će se stakla ponašati ili kako možemo utjecati na oblikovanje materijala. Ovo istraživanje može dovesti do razvoja algoritma koji stvara nove i poboljšane materijale, oponašajući proces evolucije tijekom generacija.“

Znanstvenici se nadaju da će algoritam pomoći u razvoju staklenih materijala koji su istovremeno nepropusni i fleksibilni što bi u budućnosti moglo omogućiti izradu tankih, savitljivih elektroničkih ovojnica, zaštitnih slojeva koji čuvaju ceste i mostove od korozije te cjepiva koja mogu preživjeti i na sobnoj temperaturi.

„Koristimo biomimikriju (proučavanje najboljih prirodnih dizajna i ideja u rješavanju problema u različitim granama znanosti ), riječ je o preoblikovanju procesa evolucije kako bismo stvorili bolji materijal“, objašnjava Simmons. „Ako bismo zaista razumjeli kako dizajnirati staklo sa željenim svojstvima, mogli bismo upravljati sljedećom generacijom naprednih tehnologija i unaprijediti životni standard“.

Što su to pametni prozori
No, u istraživanju svojstava stakla neki su stručnjaci otišli i korak dalje. Tim španjolskih i američkih znanstvenika stvorio je oblogu za prozor koja regulira količinu svjetlosti i topline koja ulazi u prostoriju, a kojom se može elektronički upravljati. Riječ je o prozirnoj ovojnici od nanokristala koji mogu promijeniti valnu dužinu svjetlosti.

„Pametni prozori te posebno elektrokromatski prozori (koji mijenjaju boju ili prozirnosti uz pomoć električnog naboja) već postoje, ali naše rješenje je prvo koje uključuje kontrolu topline i vidljive svjetlosti“, kaže koautorica istraživanja Delia Milliron iz Lawrence Berkeley National Laboratory u Kaliforniji.

Regulacija topline i svjetlosti također se odvija uz pomoć električnog naboja. Ako nema električne struje, prozorsko staklo je prozirno. Pojavom naboja nanočestice u oblozi počinju blokirati infracrvene valove, a staklo i dalje ostaje prozirno. Daljnji električni naboj blokira i prodor svjetlosti.

Ovaj izum pomoći će i u uštedi energije u zgradama. Prema inženjeru Brianu Korgelu sa Sveučilišta Texas koji je proučavao studiju, stambene i poslovne zgrade odgovorne su za 40 % potrošnje energije i 30 % emisije ugljičnog dioksida u SAD-u.

Ipak prije početka uporabe ovog materijala na prozorima, treba riješiti nekoliko problema, uključujući zamjenu visoko zapaljivog litija koji se koristi kao pomoćna elektroda te pronalazak čvrstog elektrolita.

Staklo koje se savija i samo čisti
Za još jedan izum koji poboljšava svojstva stakla odgovorni su znanstvenici sa Sveučilišta Harvard. Oni su razvili novu prozirnu oblogu koja obično staklo čini čvrstim i glatkim, te mu daje sposobnost da se samo čisti.

Ovaj izum nastavlja se na već nagrađeni SLIPS (Slippery Liquid-Infused Porous Surfaces) – najglađu do sada poznatu sintetičku površinu. Novi sloj je gladak, ali mnogo postojaniji i u potpunosti proziran. Zajedno, ovi izumi približavaju se stvaranju materijala koji se mogu koristiti u komercijalne svrhe, a otporni su na gotovo sve.

Inspiracija za razvoj SLIPS-a bile su vrčonoše, biljke mesožderke koje mame kukce na vrlo sklisku površinu svojih listova. SLIPS je tako otporan na ulje i ljepljive tekućine, poput meda te na stvaranje leda i nakupljanje bakterija. Jedina mana ovog materijala je njegova cijena i nedovoljna prozirnost.

Upravo iz tog razloga znanstvenici su razvili novi materijal. Tajna je u malim okruglim česticama polistirena (glavnog sastojka stiropora) koje se nalaze na staklenoj površini i na koje se izlijeva tekuće staklo. Nakon što se staklo stvrdne „loptice“ polistirena se spale, nakon čega ostaje tvorevina nalik na saće. Te saće se tada premazuju istim tekućim premazom kao i SLIPS kako bi stvorili čvrstu, ali glatku oblogu Ovaj materijal jednako je otporan kao i SLIPS, ali je za razliku od njega u potpunosti proziran i još čvršći.

Tim znanstvenika sada želi unaprijediti ovu tehnologiju te ju prilagoditi za buduću tvorničku proizvodnju ovog materijala.

Izvor: University of Akron, Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering at Harvard, ABC