「スマート」ガラスへの新しい窓

骨の固定から抗菌表面の作成まで、マイケル・アレンさらなる機能と性能を備えたガラスを作る研究者に聞く

ガラスは日常生活のいたるところにあります。 透明性、安定性、耐久性が高く、単純な窓から最新機器のタッチスクリーン、ハイテクセンサー用のフォトニックコンポーネントに至るまで、無数の用途にとって重要な材料です。

最も一般的なガラスはシリカ、石灰、ソーダから作られています。 しかし何世紀にもわたって、色や耐熱性などの特性を与えるためにガラスに追加の成分が加えられてきました。 そして研究者たちは今もガラスの開発に取り組んでおり、ガラスにさらなる機能を与え、特定のタスクのパフォーマンスを向上させることを目指して、ますますハイテクなガラスや「スマート」ガラスと呼ばれるものを生み出しています。

スマートマテリアルを定義するのは簡単ではありませんが、大まかに言えば、外部刺激に対して特定の方法で反応するように設計されています。 ガラスに関して言えば、最も明白な「スマート」アプリケーションは窓であり、特にガラスを通過する光の量を制御します。 そうすることで、あらゆる建物のエネルギー効率を高めることができ、夏の暑さを軽減し、寒い天候でも暖かさを保つことができます。

一部のスマート ガラスの色や不透明度は、材料に電圧を印加することで変更でき、それによって吸収や反射率などの特定の光学特性が可逆的に変化します。 このような「エレクトロクロミック」スマートウィンドウは、紫外線や赤外線などの特定の周波数の光の透過率をオンデマンドで制御したり、完全に遮断したりすることができます。 この技術の応用は、建物だけでなく、電子ディスプレイや着色された車の窓にも広く普及しています。

実際、エレクトロクロミックウィンドウはこの分野で他の技術に先駆けて開発されており、すでに商品化されています。 しかし、うまく機能しているにもかかわらず、いくつかの明らかな欠点があります。 これらは非常に複雑で高価であり、古い建物に改修するには通常、新しい窓、窓枠、電気接続を設置する必要があります。 また、自動ではないため、オンとオフを切り替える必要があります。

これらの問題のいくつかに対処するために、研究者たちは、電圧ではなく温度の変化によってトリガーされるサーモクロミックウィンドウの開発に取り組んできました。 大きな魅力の 1 つは、これらが受動的であることです。一度設置されると、その特性は周囲温度に応じて変化し、人間による入力は必要ありません。 このようなサーモクロミック窓を作成する主な方法は、ガラスに二酸化バナジウムのコーティングを施すことです (Joule 10.1016/j.joule.2018.06.018) が、ペロブスカイトなどの他の材料も使用できます (J. App. Energy254 113690）。 これらの材料は相転移を起こし、温度が変化すると多かれ少なかれ透明になりますが、その効果はさまざまな条件に合わせて調整できます。

二酸化バナジウムはスマートウィンドウとして大いに期待されていますが、克服すべき障害もあります。 二酸化バナジウムは吸収が強いため、不快な黄褐色を帯びており、環境安定性についてはさらなる研究が必要です (Adv. Manuf.6 1)。 最近のレビューでは、これらのテクノロジーは大幅なエネルギー節約を実現できるものの、実際の環境での使用と影響についてはさらなる研究が必要であることも示唆しています。 たとえば、サーモクロミック窓のエネルギー性能は、同じ種類のフィルムを使用した異なる都市間では大きく異なるが、同じ都市で使用された異なる種類のフィルム間ではそれほど差がないことがわかっています (J. App. Energy255113522）。

しかし、ハイテクガラスはスマートウィンドウで終わるわけではありません。 研究者らは、ガラスにさらに珍しい金属を添加すると、太陽電池パネルを保護し、効率を高めることができることを発見しました（囲み記事：太陽光発電用カバーガラスの改善を参照）。 一方、生体活性ガラスは、骨やその他の組織の再生に役立ちます (ボックス: 骨とその他の組織の固定を参照)。一方、新しいエッチングプロセスにより、表面コーティングを必要とせずにガラスに複数の機能を追加できる可能性があります (ボックス: 反射防止を参照) 、セルフクリーニングおよび抗菌）。 また、従来の光学ガラスではありませんが、新しい相変化材料は、より軽量でコンパクトな光学システムの作成に役立つ可能性があります (ボックス: 光の非機械的制御を参照)。 最後に、ガラスはいつか自己修復できるようになるかもしれません（囲み記事: 不滅のガラスを参照）。

意外に思われるかもしれませんが、すべての太陽光が太陽電池にとって良いわけではありません。 太陽光発電ユニットは赤外線と可視光を電気エネルギーに変換しますが、紫外線 (UV) は太陽光発電ユニットにダメージを与えます。 日焼けの場合と同様に、紫外線は有機太陽電池に使用される炭素ベースのポリマーに悪影響を与えます。 研究者らは、紫外線による損傷により有機半導体層の電気抵抗が高まり、電流の流れとセル全体の効率が低下することを発見しました。

この問題は有機細胞に限定されません。 紫外線は、さまざまな材料の積層体で構成される、より一般的なシリコンベースの太陽光発電の妨げにもなります。 シリコンベースの光活性層は水の浸入から保護するポリマーで挟まれており、このユニットの上にはガラスのカバーがかぶせられており、日光を通しつつ風雨からさらに保護します。 UV 光の問題は、ポリマーに損傷を与え、水が浸透して電極を腐食させることです。

英国シェフィールド・ハラム大学のガラス専門家、ポール・ビンガム氏は、太陽光パネルの効率を向上させるために「過去数十年間の最も重要な方向性は、ガラスをより透明なものにすることであった」と説明する。 これは、緑色の色合いを生み出す鉄など、ガラスを着色する化学物質を除去することを意味します。 残念ながら、ビンガム氏が説明するように、これによりより多くの紫外線が透過され、ポリマーがさらに損傷します。

したがって、ビンガムと彼の同僚は、別の方向に進んでいます。彼らは、有害な紫外線を吸収し、有用な赤外線と可視光線に対しては透明になるように、ガラスに化学ドーピングを行っています。 鉄は、一部の可視波長および赤外線波長を吸収するため、依然として理想的な添加剤ではありません。同様のことがクロムやコバルトなどの他の第一列遷移金属にも当てはまります。

その代わりに、ビンガム氏のチームは、ニオブ、タンタル、ジルコニウムなど、通常はガラスに添加されない第二列および第三列の遷移元素や、ビスマスや錫などの他の金属を実験してきました。 これらは目に見える着色をせずに強力な UV 吸収を引き起こします。 これをカバーガラスに使用すると、太陽光発電の寿命が延び、より高い効率を維持できるため、より多くの電気をより長く生成できます。

このプロセスには別の利点もあります。 「私たちが発見したのは、ドーパントの多くは紫外線光子を吸収し、エネルギーを少し失い、その後可視光子として再放出するということです。つまり、基本的には蛍光を発するのです」とビンガム氏は言う。 それらは、電気エネルギーに変換できる有用な光子を生成します。 最近の研究で、研究者らは、このようなガラスが標準のカバーガラスと比較して太陽電池モジュールの効率を最大約 8% 向上させることができることを示しました (Prog. in Photovoltaics 10.1002/pip.3334)。

1969 年、フロリダ大学の生物医学技師ラリー ヘンチは、人体に拒絶されることなく骨と結合できる材料を探していました。 米陸軍医療研究設計司令部への提案に取り組んでいたとき、ヘンチ氏は、金属の場合によくある拒否反応を起こさず、体内の組織と生きた結合を形成できる新しい素材の必要性に気づきました。そしてプラスチックインプラント。 彼は最終的に、現在フロリダ大学によって商標登録されている生体活性ガラスの特定の組成である Bioglass 45S5 を合成しました。

酸化ナトリウム、酸化カルシウム、二酸化ケイ素、五酸化リンを特別に組み合わせた生体活性ガラスは、現在、損傷した骨を修復し、骨欠損を修復するための整形外科治療として使用されています。 「生体活性ガラスは体内に入れると溶解し始める素材で、実際に細胞や骨に活性化して新しい骨を生成するように指示します」とインペリアル誌のこの素材の専門家ジュリアン・ジョーンズ氏は言う。英国ロンドンのカレッジ。

ジョーンズ氏は、ガラスが非常にうまく機能する主な理由が 2 つあると説明します。 まず、溶解すると、骨のミネラルに似たヒドロキシ炭酸アパタイトの表面層が形成されます。 これは、骨と相互作用し、体が骨を外来の物体ではなく本来の物体として認識することを意味します。 次に、ガラスが溶解すると、細胞に新しい骨を生成するよう信号を送るイオンが放出されます。

臨床的には、生体活性ガラスは主にパテ状に成形して骨欠損部に押し込む粉末として使用されるが、ジョーンズ氏と彼の同僚らは、より大規模な構造修復のために3Dプリントされた足場のような材料の開発に取り組んでいる。 これらは、生体活性ガラスとポリマーの無機有機ハイブリッドであり、弾性バイオガラスと呼ばれています。 3D プリントされたアーキテクチャは、優れた機械的特性を提供するだけでなく、細胞の適切な成長を促す構造も提供します。 実際、ジョーンズ氏は、足場の細孔サイズを変更することで、骨髄幹細胞が骨または軟骨の成長を促進できることを発見しました。 「私たちは弾むようなバイオグラス軟骨で大きな成功を収めてきました」とジョーンズ氏は言います。

生体活性ガラスは、糖尿病性潰瘍などによる慢性創傷の再生にも使用されています。 研究によると、脱脂綿のようなガラス包帯が、他の治療法では反応しなかった糖尿病性足部潰瘍などの創傷を治癒できることが示されています (Int. Wound J. 19 791)。

しかしジョーンズ氏によれば、生体活性ガラスの最も一般的な用途は一部の敏感な歯磨き粉であり、歯の自然な石灰化を促すものであるという。 「歯が敏感なのは、歯の中心に神経腔に入る尿細管があるためです。そのため、これらの尿細管を石化すると歯髄腔に入る道がなくなるのです」と彼は説明する。

ユニバーシティ・カレッジ・ロンドンでは、研究者らがガラスの表面にナノスケールの構造をエッチングして、ガラスに複数の異なる機能を持たせている。 過去にも同様の技術が試みられましたが、十分に細かいディテールでガラス表面を構造化するのは困難で複雑であることが判明しました。 しかし、ナノエンジニアのイオアニス・パパコンスタンティノウと彼の同僚は、最近、ガラスをナノスケールの精度で詳細に描写できる新しいリソグラフィー・プロセスを開発した（Adv. Mater.332102175）。

光学迷彩と音響迷彩に同様の構造を使用する蛾にヒントを得て、研究者らはガラス表面にサブ波長のナノスケール円錐の配列を彫刻し、反射率を低減した。 彼らは、この構造化された表面が光を反射するのは 3% 未満であるのに対し、対照ガラスは約 7% を反射することを発見しました。 パパコンスタンティノウ氏は、ナノコーンが通常は急激な空気からガラスへの転移を滑らかにすることで、ガラス表面の屈折率と空気の屈折率の間の変化を橋渡しするのに役立つと説明しています。 これにより散乱が減少し、表面から反射する光の量が減少します。

表面は超疎水性でもあり、水や油の液滴をはじき、ナノ構造内に閉じ込められた空気のクッションで跳ね返されます。 パパコンスタンティノウ氏の説明によると、水滴が転がり落ちていくと汚染物質や汚れが付着し、ガラスが自動洗浄されます。 そして最後の利点として、細菌は鋭い錐体が細胞膜を突き破るため、ガラスの上で生き残ろうと苦戦します。 黄色ブドウ球菌（ブドウ球菌感染症を引き起こす細菌）に焦点を当てた走査電子顕微鏡では、表面に定着した細菌の 80％ が死滅するのに対し、標準的なガラスでは約 10％ 死滅することが示されました。 研究者らによると、これは抗菌性ガラス表面の初めての実証だという。

光学システムにおける光は一般に、光の焦点を変更したりビームを方向転換したりするために操作できるレンズなどの可動部品によって制御されます。 しかし、新しい種類の相変化材料 (PCM) は、機械的介入なしで光学部品の特性を変更できる可能性があります。

PCM は、電流などの何らかの形式のエネルギーが印加されると、組織化された結晶構造を持つ状態と、アモルファスおよびガラス状構造の間で切り替わります。 このような材料は、2 つの相が 2 つのバイナリ状態を表すデータを光ディスクに保存するために長い間使用されてきました。 しかし、これらの材料は、通常、相の 1 つが不透明であるため、そのような用途以外の光学分野では実際には使用されていません。

しかし最近、米国の研究者らは、GSST (Nature Comms) として知られる、ゲルマニウム、アンチモン、セレン、テルルという元素に基づいた新しいクラスの PCM を作成しました。10 4279）。 彼らは、これらの材料のガラス状態と結晶状態の両方が赤外光に対して透明である一方で、屈折率が大きく異なることを発見しました。 これを利用して、赤外線を制御できる再構成可能な光学系を作成できます。

マサチューセッツ工科大学の材料科学者ジュジュン・フー氏は、光学デバイスを 1 つのアプリケーションに組み込む代わりに、複数の異なる機能を持たせるようにプログラムすることもできると述べています。 「レンズから回折格子やプリズムに切り替えることもできます」と彼は説明します。

PCMの特性は、ナノスケールのサブ波長構造が表面に形成され、それぞれが特定の方法で光と相互作用して集束などの望ましい効果を生み出すように調整される光学メタマテリアルを作成することによって、PCMの特性を最もよく利用できると胡氏は述べています。光のビーム。 電流が材料に印加されると、材料の状態と屈折率が切り替わり、表面のナノ構造が光と相互作用する方法が変化します。

研究チームは、光線を素早く消すことができるズームレンズや光シャッターなどの要素を作成できることをすでに実証している。 フー氏と協力してGSST材料に取り組んだセントラルフロリダ大学の光学材料とフォトニクスの専門家であるキャスリーン・リチャードソン氏は、これらの材料はセンサーやその他の光学デバイスの簡素化とサイズの縮小を可能にする可能性があると述べている。 これらにより、複数の光学機構を組み合わせることが可能になり、個々の部品の数が減り、さまざまな機械要素が不要になります。 「同じコンポーネントに複数の機能があるため、プラットフォームはより小さく、よりコンパクトで、より軽量になります」と Richardson 氏は説明します。

「物理法則を曲げることはできますが、破ることはできません」と、英国のシェフィールド・ハラム大学でガラスとセラミックスを専門とするポール・ビンガム氏は言う。 「基本的にガラスは脆い素材なので、ガラスの小さな部分に十分な力を加えると割れてしまいます。」 それでも、パフォーマンスを改善できるさまざまな方法があります。

携帯電話について考えてみましょう。 ほとんどのスマートフォンの画面は化学強化ガラスで作られており、最も一般的なのはゴリラガラスです。 2000 年代にコーニングによって開発された、この強力で傷がつきにくいながらも薄いガラスは、現在約 50 億台のスマートフォン、タブレット、その他の電子機器に搭載されています。 しかし、化学強化ガラスは完全に割れないわけではありません。 実際、ビンガムの携帯電話の画面は壊れていました。 「一度落として、また落としたら、全く同じところに落ちて、それでゲームオーバーだった」と彼は言う。

ガラススクリーンの耐久性をさらに向上させるため、ビンガム氏は自己修復ポリマーを開発した化学者ジャスティン・ペリー率いるノーサンブリア大学のポリマー科学者らと「不滅の製造」と題したプロジェクトに取り組んでいる。 これらの自己修復ポリマーを半分に切って、それらの部分を押し合わせると、時間が経つと再び結合します。 研究者らは、そのような材料のコーティングをガラスに適用する実験を行っている。

十分な力を加えれば、これらのスクリーンはまだ壊れる可能性がありますが、スクリーンを落としてポリマー層に亀裂が入った場合は、自己修復する可能性があります。 これは周囲の室温条件下でも起こりますが、暖かい場所に置いておくなどして少し加熱すると、プロセスが速くなる可能性があります。 「製品の寿命を延ばし、持続可能性を高め、回復力を高めることが重要です」とビンガム氏は言います。 また、スマートフォンだけでなく、保護層としてガラスを使用する多くの製品にも役立つ可能性があります。