Nowy rodzaj szkła, które jest 10 razy bardziej ekologiczne i bardziej odporne na uszkodzenia

W skali globalnej najmniej wypada produkcja szkła 86 mln ton dwutlenku węgla rocznie. Jednak nowy rodzaj szkła o nazwie LionGlass, opracowany przez naukowców z Penn State, oferuje możliwość zmniejszenia emisji dwutlenku węgla o 50%. To innowacyjne szkło nie tylko wymaga znacznie mniej energii do wyprodukowania, ale ma też większą odporność na uszkodzenia niż tradycyjne szkło sodowo-wapniowo-krzemianowe. Naukowcy stojący za tym przełomem niedawno złożyli wniosek patentowy, co stanowi pierwszy krok w kierunku wprowadzenia LionGlass na rynek.

„Naszym celem jest sprawienie, by produkcja szkła była zrównoważona w perspektywie długoterminowej” — powiedział John Mauro, profesor Dorothy Butt Enright w dziedzinie inżynierii materiałowej w Penn State i główny badacz projektu. „LionGlass zmniejsza zużycie materiałów wsadowych zawierających węgiel i znacznie obniża temperaturę topnienia szkła”.

Szkło sodowo-wapniowo-krzemianowe, powszechnie używane w przedmiotach codziennego użytku, od okien po szklane zastawy stołowe, powstaje w wyniku stopienia trzech podstawowych materiałów: piasku kwarcowego, sody kalcynowanej i wapienia. Soda kalcynowana to węglan sodu, a wapień to węglan wapnia, i oba uwalniają dwutlenek węgla (CO2), gaz cieplarniany, który zatrzymuje ciepło podczas topnienia.

„Podczas procesu topienia szkła węglany rozkładają się na tlenki i wytwarzają dwutlenek węgla, który jest uwalniany do atmosfery” – powiedział Mauro.

Ale większość emisji dwutlenku węgla pochodzi z energii potrzebnej do ogrzania pieców do wysokich temperatur potrzebnych do stopienia szkła. W przypadku LionGlass temperatura topnienia spada o około 300 do 400 stopni CelsjuszMauro wyjaśnił, że prowadzi to do zmniejszenia zużycia energii o około 30% w porównaniu z tradycyjnym szkłem sodowo-wapniowym.

Szkło LionGlass jest nie tylko bardziej przyjazne dla środowiska, ale także mocniejsze niż tradycyjne szkło. Naukowcy powiedzieli, że byli zaskoczeni, gdy odkryli, że nowe szkło, nazwane na cześć maskotki Nittany Lion z Pensylwanii, ma wyższą odporność na pękanie niż konwencjonalne szkło.

Niektóre oprawy paneli szklanych mają tak dużą odporność na pękanie, że szkło nie pęka nawet pod obciążeniem siłą jednego kilograma diamentowej rury Vickers. LionGlass jest co najmniej dziesięciokrotnie bardziej odporne na pękanie niż standardowe szkło sodowo-wapniowe, które tworzy pęknięcia pod obciążeniem około 0,1 kilograma siły. Naukowcy wyjaśnili, że granice LionGlass nie zostały jeszcze znalezione, ponieważ osiągnęły maksymalne obciążenie, na jakie pozwalał sprzęt do wgniatania.

„Zwiększaliśmy wagę LionGlass, aż osiągnęliśmy maksymalne obciążenie, na jakie pozwalał sprzęt” – powiedział Nick Clark, doktor habilitowany w laboratorium Mauro. „Po prostu się nie złamie”.

Mauro wyjaśnił, że odporność na pękanie jest jedną z najważniejszych cech do przetestowania w szkle, ponieważ w ten sposób materiał ostatecznie zawodzi. Z biegiem czasu na powierzchni szkła pojawiają się małe pęknięcia, które stają się słabymi punktami. Kiedy kawałek szkła pęka, jest to spowodowane słabościami spowodowanymi przez obecne mikropęknięcia. Dodał, że szczególnie cenne jest szkło odporne przede wszystkim na powstawanie mikropęknięć.

„Odporność na uszkodzenia jest szczególnie ważną właściwością szkła” — powiedział Mauro. „Pomyśl o wszystkich sposobach, w jakie polegamy na wytrzymałości szkła, w przemyśle motoryzacyjnym i elektronicznym, architekturze i technologiach komunikacyjnych, takich jak kable światłowodowe. Nawet w służbie zdrowia szczepionki są przechowywane w mocnych, odpornych chemicznie szklanych pojemnikach.”

Mauro ma nadzieję, że zwiększona wytrzymałość LionGlass oznacza, że ​​stworzone z niego produkty mogą być jeszcze lżejsze. Ponieważ LionGlass jest dziesięć razy bardziej odporny na uszkodzenia niż obecne szkło, może być znacznie cieńszy.

„Musimy być w stanie zmniejszyć grubość i mieć ten sam poziom odporności na uszkodzenia” – powiedział Mauro. „Jeżeli mamy lżejszy produkt, jest to lepsze dla środowiska, ponieważ zużywamy mniej surowców i potrzebujemy mniej energii do jego wyprodukowania. Nawet w przypadku transportu zmniejsza to energię potrzebną do przemieszczania szkła, więc jest to korzystne- wygrana sytuacja”.

Mauro zauważa, że ​​zespół badawczy wciąż ocenia potencjał LionGlass. Złożyli wniosek patentowy dla całej rodziny szkła, co oznacza, że ​​w rodzinie LionGlass istnieje wiele kompozycji, z których każda ma swoje odrębne cechy i potencjalne zastosowania. Obecnie wystawiają różne preparaty LionGlass na szereg środowisk chemicznych, aby zbadać ich interakcje. Odkrycia pomogą zespołowi lepiej zrozumieć, w jaki sposób LionGlass jest używany na całym świecie.

„Ludzie nauczyli się wytwarzać szkło ponad 5000 lat temu i od tego czasu konieczne stało się doprowadzenie współczesnej cywilizacji do tego, czym jest dzisiaj” – powiedział Mauro. „Teraz znajdujemy się w momencie, w którym musimy pomóc w kształtowaniu przyszłości, ponieważ stoimy w obliczu globalnych wyzwań, takich jak kwestie środowiskowe, energia odnawialna, efektywność energetyczna, opieka zdrowotna i rozwój miast. Szkło może odegrać kluczową rolę w rozwiązaniu tych problemów, i jesteśmy gotowi wnieść swój wkład”.