15 października badaczom z Politechniki Chalmers w Szwecji udało się stworzyć nowy rodzaj ultrastabilnego i trwałego szkła, które ma potencjalne zastosowania, m.in. w medycynie, zaawansowanych ekranach cyfrowych i technologii ogniw słonecznych. Badanie wykazało, że zmieszanie wielu cząsteczek (do ośmiu na raz) pozwala uzyskać materiał, który działa równie dobrze, jak najlepsze obecnie znane środki do formowania szkła.
Szkło, zwane także „ciałem amorficznym”, jest materiałem nieposiadającym uporządkowanej struktury dalekiego zasięgu – nie tworzy kryształów. Z drugiej strony materiały krystaliczne to materiały o wysoce uporządkowanych i powtarzających się wzorach.
Materiał, który na co dzień nazywamy „szkłem”, składa się głównie z krzemionki, ale szkło może być wykonane z wielu różnych materiałów. Dlatego badacze są zawsze zainteresowani znalezieniem nowych sposobów zachęcania różnych materiałów do tworzenia tego stanu amorficznego, co może prowadzić do opracowania nowych szkieł o ulepszonych właściwościach i nowych zastosowaniach. Nowe badania opublikowane niedawno w czasopiśmie naukowym „Science Advances” stanowią ważny krok naprzód w badaniach.
Teraz, po prostu mieszając wiele różnych cząsteczek, nagle otworzyliśmy potencjał tworzenia nowych i lepszych materiałów szklanych. Ci, którzy badają cząsteczki organiczne, wiedzą, że użycie mieszaniny dwóch lub trzech różnych cząsteczek może pomóc w wytworzeniu szkła, ale niewielu może spodziewać się, że dodanie większej liczby cząsteczek pozwoli osiągnąć tak doskonałe wyniki” – zespół badawczy kierował badaniami. – powiedział profesor Christian Müller z Wydziału Chemii i Inżynierii Chemicznej Uniwersytetu w Ulms.
Najlepsze wyniki dla każdego materiału do formowania szkła
Gdy ciecz ochładza się bez krystalizacji, tworzy się szkło, co jest procesem zwanym witryfikacją. Zastosowanie mieszaniny dwóch lub trzech cząsteczek w celu wspomagania tworzenia się szkła jest dojrzałą koncepcją. Jednak niewiele uwagi poświęcono wpływowi mieszania dużej liczby cząsteczek na zdolność do tworzenia szkła.
Naukowcy przetestowali mieszaninę aż ośmiu różnych cząsteczek perylenu, które same w sobie charakteryzują się dużą kruchością – cecha ta związana jest z łatwością, z jaką materiał tworzy szkło. Jednak zmieszanie wielu cząsteczek razem prowadzi do znacznego zmniejszenia kruchości i tworzy bardzo mocny składnik szklisty o bardzo niskiej kruchości.
„Kruchość szkła, które wytworzyliśmy w ramach naszych badań, jest bardzo niska, co stanowi najlepszą zdolność do formowania szkła. Mierzyliśmy nie tylko każdy materiał organiczny, ale także polimery i materiały nieorganiczne (takie jak luzem szkło metaliczne). Rezultaty są jeszcze lepsze niż w przypadku zwykłego szkła. Zdolność szkła okiennego do formowania szkła jest jedną z najlepszych, jakie znamy” – powiedziała Sandra Hultmark, doktorantka na Wydziale Chemii i Inżynierii Chemicznej oraz główna autorka badania.
Przedłuż żywotność produktu i oszczędzaj zasoby
Ważnymi zastosowaniami bardziej stabilnego szkła organicznego są technologie wyświetlaczy, takie jak ekrany OLED, oraz technologie energii odnawialnej, takie jak organiczne ogniwa słoneczne.
„Diody OLED składają się ze szklanych warstw emitujących światło cząsteczek organicznych. Jeśli będą bardziej stabilne, może to zwiększyć trwałość OLED, a w efekcie trwałość wyświetlacza” – wyjaśniła Sandra Hultmark.
Innym zastosowaniem, w którym bardziej stabilne szkło może przynieść korzyści, są leki. Leki amorficzne rozpuszczają się szybciej, co pomaga szybko wchłonąć składnik aktywny po spożyciu. Dlatego wiele leków wykorzystuje postacie leków tworzące szkło. W przypadku leków istotne jest, aby materiał szklisty nie krystalizował z biegiem czasu. Im bardziej stabilny szklisty lek, tym dłuższy okres trwałości leku.
„Dzięki bardziej stabilnemu szkłu lub nowym materiałom do formowania szkła możemy przedłużyć żywotność dużej liczby produktów, oszczędzając w ten sposób zasoby i ekonomię” – powiedział Christian Müller.
„Witryfikacja mieszaniny Xinyuanperylenu o ultraniskiej kruchości” została opublikowana w czasopiśmie naukowym „Science Advances”.
Czas publikacji: 06 grudnia 2021 r