Фотохромное стекло – это стекло, которое при определенном освещении меняет способность пропускать свет и становится солнцезащитным. То есть оно не пропускает определенные длины волн световых лучей, в частности - ультрафиолет. Что нового можно обнаружить в фотохромных технологиях? На каком научном и технологическом крае находится фотохромное стекло в настоящее время?
Об этом рассказала кандидат физико-математических наук, руководитель группы компаний SNDGroup Ольга Квашенкина.
Принцип устройства фотохромных стёкол. Тип “первый”
Существует два типа фотохромных стекол. Деление весьма условно, и названия “первый” и “второй” выбраны авторами статьи для более понятного изложения сути. К первому типу относятся стекла, в состав которых добавлены специальные частички (иногда их называют фотохромными молекулами). При определенных условиях они становятся светопоглощающими, в частности, при заданной яркости освещения, то есть на некоторой длине световых волн с их определенной интенсивностью. Без ультрафиолетового света, в темном помещении или при электрическом освещении, эти стекла прозрачны. Но как только на стекло попадает ультрафиолетовый свет, исходящий от солнца или от искусственного источника УФ излучения, частички меняют свои физические свойства, и наблюдается поглощение этого излучения.
За счет чего идет процесс поглощения света, и что на него влияет? В стеклах с распределенными внутри фотохромными частичками проходит одновременно несколько процессов. Есть взаимодействие этих частичек с окружающей средой, то есть со стеклом, и на них влияет температура окружающей среды. Кроме того, частички взаимодействуют с самим световым излучением, и их свойства (в том числе кристаллическая и электронная структура вещества частичек) меняются. Физика всего комплекса процессов, происходящих внутри фотохромных стекол, невероятно интересна, но при этом сложна, относится к разделу физики “наноматериалы и нанотехнологии”.
Надо сказать, что свойства частиц, поглощающих свет, например, частиц на основе серебра, известны давно. И фотохромные стекла – далеко не новейшее изобретение. Накоплен большой опыт их использования, например, в оптике. Сегодня можно купить не просто очки с затемнением, а «умные» очки. Они, кроме прозрачной и темной фаз, используют полутона. Такие очки интенсивно затемняются при сильном освещении, а при небольшом ультрафиолетовом свете процент затемнения снижается. В современных фотохромных стеклах, используемых в очках, существует до 15 вариантов поглощения в зависимости от интенсивности освещения. Так что вариант фотохромных стекол первого типа достаточно распространен.
Принцип устройства фотохромных стёкол. Тип “второй”
Не так давно появился "второй" тип фотохромных стекол, и он нашел не меньшее коммерческое применение чем “первый”. В данном типе фотохромным является тонкое покрытие, которое наносится сверху на обычное стекло. Это специальное нанопокрытие, состоящее из определенного рода веществ, которые меняют пропускную способность для света в зависимости от условий, в частности, от освещенности. То есть при воздействии на эти вещества световых волн определенной длины, свойства покрытия меняются, стекло затемняется. При этом фотохромное стекло “второго” типа тоже может быть “умным”, то есть менять свои свойства пропускания УФ излучения в зависимости от нерегулируемых или регулируемых внешних факторов. Такие типы стекол, как правило, имеют более высокие скорости затемнения и просветления, а также более высокую степень защиты от УФ излучения (по сравнению с “первым” типом), однако при этом продукты, изготовленные с использованием технологий для “второго” типа, более дорогие.
Применение фотохромных стекол разных типов
Первый пример был упомянут выше – это очки. Второй из наиболее распространенных – окна, в том числе иллюминаторы на самолетах и судах. Для иллюминаторов все чаще используют «умные» стекла “второго” типа. Так, например, затемнение стекол происходит не только при неконтролируемом воздействии излучения на стекло, но и может происходит по сигналу извне (например, по сигналу от пилота судна). Однако это используется далеко не на всех бортах, так как это достаточно дорогие технологии. Созданием подобных “умных” стекол занималась в рамках научной работы Ольга Квашенкина.
Кроме того, фотохромные стекла используют в оборудовании, например, оптическом. Они незаменимы, когда требуется для определенных длин волн автоматизировано затемнять оптику или ставить световой барьер для пропуска той или иной волны.
Ожидания от технологии фотохромных стекол
Большой недостаток классических фотохромных стекол заключается в том, что при прекращении ультрафиолетового излучения они просветляются слишком медленно, иногда процесс занимает несколько минут. Затемнение проходит достаточно быстро, хотя его скорость тоже не мгновенная, она видна глазу.
В современных дорогих стеклах просветление растягивается на несколько десятков секунд, но это неудобно. Например, человек в фотохромных очках заходит днем в помещение, и некоторое время стекла остаются темными; на солнце набежало облако, затем ушло, а очки еще некоторое время не светлеют; пассажиру самолета плохо видно, что происходит снаружи, хотя солнце скрылось. От технологии требуется ускорение просветления. Причем не только для простых пользователей. Низкие скорости фотохромизма являются проблемой для некоторых оптических приборов в научном и технологическом оборудовании.
“Примерно в 2010-2013 годы мы разрабатывали одно из покрытий на стекло с фотохромным эффектом. Наша научная группа изучала этот вопрос параллельно с одной из технологически развитых компаний Японии. В рамках этой работы мы изучали пропускные свойства различного рода микро- и нанопокрытий на основе оксидов разных металлов. Я занималась таким оксидом, как диоксид ванадия (формула VО2),” – рассказывает Ольга Квашенкина.
Это покрытие обладает интересной особенностью (которая также наблюдается и в крупных кристаллах этого вещества) - при определенной температуре диоксид ванадия (будь то тонкое покрытие или кристалл) “превращается” из полупроводника в металл. Такая “магия” в физике называется термином - фазовый переход. При нагревании материала он может совершить “превращение” за доли секунды (скорость фазового перехода), которые определяются фемтосекундами (фемто – это 10 в -15-ой степени). Материал из полупроводника практически мгновенно превращался в металлический материал и возвращался в полупроводник при остывании. Внешне это сопровождалось изменением цвета и пропускной способности материала. Его применение планировалось именно в качестве покрытия на «умные» фотохромные окна.
Медлительность просветления обычных фотохромных стекол завязана на очень интересные внутренние процессы, внутри тех самых частичек, которые меняют свои физические свойства под воздействием ультрафиолетового излучения. “Материал, который мы изучали, – рассказывает Ольга Квашенкина, – позволял абсолютно незаметно для глаза, практически мгновенно, менять пропускную способность. Технология, над которой мы работали, позволила менять цвет покрытия и пропускную способность не только в УФ диапазоне, с возможностью управления методом электронного воздействия, то есть независимо от освещения и в зависимости от желания человека.”
На момент работы Ольгой Квашенкиной над кандидатской диссертацией, стояла задача выяснить все физические механизмы, которые сопровождают изменения как внутренней структуры изучаемого материала (диоксид ванадия), так и его электрических свойств, а также привязки этих электрических свойств к другим свойствам материала, изучение внутренних сил, которые действуют на частицы внутри материала, взаимодействие между атомами и между электронной и кристаллической подсистемами данного материала.
Фактически требовалось детально и обоснованно объяснить весь сложный механизм фазового перехода внутри диоксида ванадия и разработать методы влияния на этот фазовый переход. Это первый шаг в технологии создания сверхбыстрого “умного” окна.
“Здесь действительно была очень интересная и красивая физика, которая позволила выяснить путем достаточно большого количества экспериментов и более чем шести лет плотных исследований механизм изменения пропускной способности материала для разных длин волн в разных условиях. Изучив физические процессы, сопровождающие механизм фазового перехода, мы научились управлять им извне. Следующим шагом должно было стать создание новой технологии фотохромного стекла”, – вспоминает Ольга Квашенкина.
На тот момент финансирования на продолжение проекта, к сожалению, не нашлось. Однако коллеги из Японии, с которыми научная группа Ольги шла «бок о бок», и которые часто ссылались на работы Ольги в своих статьях, финансирование нашли и в 2020 году создали и вывели на рынок новые фотохромные покрытия. В настоящий момент эти “умные” стекла используются, например, для стекол автомобилей, в том числе электрокаров, в иллюминаторах самолетов, воздухоплавательных и морских судов, в некоторых оптических приборах.
Несмотря на то, что это один из печальных примеров, когда наши отечественные ученые в какой-то момент стали первыми в мире, но потом из-за недофинансирования технологию довели до “ума” иностранные специалисты, сам проект стал сильным “толчком” для развития компании SNDGroup.
Можно ли использовать фотохромные покрытия для солнцезащитных очков? Да, но для регулирования пропускной способности данного покрытия необходимо оснащать стекло дополнительной электроникой.
Отдельную перспективу для использования таких покрытий открыли знаменитые очки Google, которые подключались по беспроводной сети к интернету, они стали очками дополненной реальности. Такого рода изделия будут использовать возможности фотохромных стекол, но это уже технологии «завтрашнего дня».