3-е тыс. до н. э. Месопотамия. Люди заметили, что песок и зола при высоких температурах превращается в бликующий, полупрозрачный материал, из которого можно делать бусины, — стекло. 2025 год. Санкт-петербургский политехнический университет Петра Великого. Учёные облучили основу электронами и быстрее, с меньшими денежными затратами, чем было ранее возможно, получили «умное» стекло. Его используют для создания энергосберегающих окон, быстрых оптических компьютеров будущего, биосенсоров. Стекло — материал, который человек применяет уже тысячелетия, однако до сих пор исследователи изобретают новые его виды, технологии производства. Рассказываем об одной из таких инновационных разработок.
Электронно-лучевое облучение — это процесс, при котором электроны ускоряются и направляются на материал, вызывая в нём физические и химические изменения. Учёные взяли силикатное стекло, покрытое тонкими пленками серебра, и облучили его электронами с малой энергией, но большой плотностью тока. В итоге в подповерхностном слое стекла образовались молекулярные кластеры и наночастицы серебра. При этом характеристики облученного слоя существенно менялись в зависимости от дозы облучения, в частности толщина слоя наночастиц получалась от 0,5 до 1,2 мкм. В результате получился композит «стекло-металлические частицы», где наночастицы и кластеры серебра выступают в роли высокоэффективных катализаторов, стабилизаторов и функциональных добавок, которые кардинально улучшают электрохромные и теплозащитные свойства стекла.
Силикатное стекло — это стекло, состоящее из соединений кремния (SiO2) и щелочных металлов: натрия (Na2O) и калия (K2O). Этот вид стекла один из наиболее распространенных.
Молекулярный кластер представляет собой группу из небольшого и, в общем случае, переменного числа взаимодействующих атомов (ионов, молекул). Минимальное число атомов в кластере равно двум. Верхней границе кластера соответствует такое число атомов, когда добавление еще одного атома уже не меняет свойства кластера, так как переход количественных изменений в качественные уже закончился.
Наночастицы — частицы, имеющие одно или несколько измерений порядка 100 нм или меньше, это связующие материалы между объемными частицами и структурами атомного или молекулярного уровня. Наночастицы не являются чем-то новым для окружающей среды: их находят в горных породах, глинах и продуктах жизнедеятельности бактерий. Хотя они использовались в качестве красителя для металлов с древних времен, систематическое проектирование и разработка наночастиц для различных применений началась только в последние несколько десятилетий. Искусственно созданные наночастицы обладают свойствами, которые не встречаются в тех же материалах из-за уменьшенных размеров.
Обычно изготовление подобного материала подразумевает, что после введения серебра в стекло требуется длительный нагрев при температурах 550–600 °C, чтобы частицы серебра слиплись в рабочие наночастицы. Преимущество нового подхода как раз состоит в том, что стадия термообработки оказывается не нужна. Благодаря этому получается сэкономить до 30% от общей стоимости производства за счёт сокращения человеко-часов, расходов на оборудование и электроэнергию, снижения времени на синтез.
📌 Результаты опубликованы в журнале Materials Letters.
📌 В исследовании также принимали участие специалисты МГУ и Физико-технического института имени А. Ф. Иоффе.
Подписывайтесь на канал «Теория большого Политеха», чтобы вместе входить в эру умных вещей!
Что ещё почитать?