Szkło przyjazne dla środowiska, które trudno stłuc

Przez telefon rozlega się śmiech, gdy John Mauro zadaje moje pytanie jednemu ze swoich uczniów: Ile trzeba uderzyć młotkiem, aby stłuc nowe szkło, które opracowali?

„Trzeba w to włożyć swoje ciało” – mówi profesor Mauro z Penn State, który opisuje, jak szkło musi być najpierw głęboko zarysowane diamentowym piórem lub węglikiem wolframu – a następnie wbite młotkiem przez doktoranta. młotek.

Profesor Mauro twierdzi, że wynalazek o nazwie LionGlass jest dziesięć razy mocniejszy niż standardowe szkło. Wyobraź sobie nienaruszoną butelkę wina, nawet po upuszczeniu jej na podłogę w kuchni.

Jednak dostępnych jest niewiele szczegółów na temat LionGlass, ponieważ badania nie zostały jeszcze opublikowane w recenzowanym czasopiśmie, a zespół niedawno złożył wniosek patentowy.

Kluczowym szczegółem jest to, że w przeciwieństwie do zwykłego szkła, do produkcji tego szkła nie jest potrzebna soda kalcynowana ani wapień. Alternatywne składniki są obecnie ściśle strzeżoną tajemnicą.

Ludzie byli Wytwarzanie szkła od tysięcy lat. Ze względu na swoje właściwości przypominające klejnot i fakt, że można go formować w skomplikowane kształty, zawsze miał piętę achillesową: pęka. Ale może nie na długo.

Od przednich szyb samochodowych po kieliszki do szampana — zastosowań, w których można zastosować jeszcze bardziej wytrzymałe szkło, nie ma końca.

Istnieje duża konkurencja, kto może wyprodukować najmocniejsze i najbardziej zrównoważone szkło w rozsądnej cenie. Może zmienić świat.

„Jeśli naprawdę chcemy mieć wpływ na ślad węglowy, musimy zająć się krzemianem sodowo-wapniowym” – mówi profesor Mauro.

Soda kalcynowana i wapień uwalniają dwutlenek węgla (CO2) po podgrzaniu z piaskiem kwarcowym – powszechnym przepisem na szkło – a proces produkcyjny wymaga wysokich temperatur i zużywa dużo energii.

Z kolei LionGlass nie używa tych materiałów bogatych w węgiel i ma temperaturę produkcji poniżej 300°C do 400°C.

Haczyk polega na tym, że ponieważ szkło ma niższą tolerancję termiczną niż inne szkło, nie można go używać w ekranach smartfonów lub tabletów, na które jest duże zapotrzebowanie.

Aby to zrobić, szkło musi być w stanie wytrzymać wysokie temperatury podczas procesu produkcyjnego.

„Jeśli szkło zmieni swoje wymiary podczas tego procesu, piksele mogą w rzeczywistości nie być wyrównane” – mówi profesor Mauro.

Ale LionGlass może mieć wiele innych zastosowań – na przykład szklane sztućce i okna w budynkach.

Istniejące huty szkła powinny być w stanie to zrobić bez zmiany sprzętu, a szkło nie wymaga dalszych prac po jego wyprodukowaniu. Jego siła, jak mówi profesor Mauro, jest „nieodłączną właściwością struktury ciała szklistego”.

LionGlass może mieć wpływ „wszędzie, gdzie widzisz szkło” — z wyjątkiem smartfonów — mówi Robert Ritchie z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley.

Profesor Ricci i jego współpracownicy opracowali nieprzezroczyste szkło, które jest mocniejsze niż stal Prawie dekadę temu.

Nowy rodzaj szkła może pomóc architektom przemyśleć sposób wykorzystania tego materiału, mówi Cheryl Atkinson z Atkinson Architect w Kanadzie. LionGlass, będąc tak wytrzymałym, pozwala na przykład na znacznie cieńsze szyby okienne.

„Z pewnością zmniejszyłoby to wagę izolowanych lub potrójnych szyb zespolonych” — zauważa, zauważając, że zmniejszyłoby to emisję dwutlenku węgla związaną z transportem szkła.

Jednak jednym z problemów związanych z obecną technologią okien jest to, że plastikowe uszczelki wokół krawędzi podwójnych lub potrójnych szyb zespolonych często zawodzą po kilku dekadach – nie chodzi tylko o jakość samego szkła.

Dodatkowo, dostrzegając znaczenie efektywności energetycznej, architekci, w tym pani Atkinson, zużywają w swoich projektach mniej szkła, aby ograniczyć straty ciepła z budynków zimą i zapobiegać nadmiernemu nagrzewaniu się pomieszczeń w słoneczne dni.

Były pracodawca profesora Mauro, firma Corning, znana ze szkła Gorilla Glass stosowanego w smartfonach, tabletach i ekranach telewizyjnych, produkuje inne produkty, takie jak szkło do ultra wytrzymałych fiolek z lekami – w tym do szczepionek Covid-19 – oraz szkło architektoniczne do budynków.

Jaimin Amin, dyrektor ds. technologii w firmie Corning, powiedział BBC, że firma ma projekt polegający na poszukiwaniu „bardzo wysokiej jakości” energooszczędnych okien.

Jednym ze sposobów, w jaki można to wykorzystać, jest nałożenie bardzo cienkiej warstwy szkła między dwie tafle tradycyjnych okien w celu wykonania potrójnych szyb, które są cieńsze i lżejsze niż obecne okna, mówi.

W lipcu Corning poinformował o słabym popycie na smartfony w kwartalnej aktualizacji zysków.

Mimo to Amin twierdzi, że elektronika użytkowa pozostaje głównym obszarem wzrostu firmy.

Producenci smartfonów używają szkła do obudów urządzeń, a także ekranów, po części dlatego, że pomaga to telefonom odbierać i przesyłać sygnały 5G o wysokiej częstotliwości, mówi Corning.

Tymczasem trwałość stale się poprawia.

Szkło Victus 2 Gorilla Glass, które firma Corning wprowadziła na rynek w zeszłym roku, może przetrwać upadek na beton z wysokości jednego metra. „Po raz pierwszy mieliśmy kubek z certyfikowaną zawartością pochodzącą z recyklingu”, mówi dr Amin. – Coraz bardziej idziemy w tym kierunku.

Jedną z zalet recyklingu szkła są niższe temperatury potrzebne do wytworzenia nowego produktu, co zmniejsza emisję dwutlenku węgla.

William Kerwin, analityk z Morningstar Research Services, podkreśla sukces firmy Corning w branży szkła, mówiąc, że ma ponad połowę rynku szkła używanego w coraz bardziej popularnych telewizorach z dużymi ekranami.

Jednym z szybko rozwijających się zastosowań szkła są panele słoneczne. „To jest miejsce, w którym myślę, że gdybyś zapytał mnie pięć lat temu, nawet bym nie zadzwonił” – mówi Kerwin. „Teraz jest to zdecydowanie większa sprawa dla przemysłu szklarskiego”.

Dodaje, że producenci paneli słonecznych szukają mocniejszego i cieńszego szkła, aby móc zmniejszyć wagę paneli.

Ben Wood z CCS Insight mówi, że smartfony nadal będą ważnym obszarem innowacji.

Na przykład składane telefony muszą wytrzymać „dziesiątki tysięcy lub setki tysięcy zgięć w całym okresie eksploatacji urządzenia” – mówi.

Mówi, że konsumenci wciąż martwią się, czy składane telefony są naprawdę wystarczająco wydajne.

„Sen to nietłukące szkło” — dodaje Wood — co do dziś pozostaje marzeniem.