Una nueva ventana al vidrio 'inteligente'

Desde reparar huesos hasta fabricar superficies antibacterianas,miguel allenhabla con los investigadores que fabrican vidrio que tiene funcionalidad y rendimiento adicionales

El vidrio es omnipresente en la vida cotidiana. Al ser altamente transparente, estable y duradero, es un material importante para una gran variedad de aplicaciones, desde ventanas simples hasta pantallas táctiles en nuestros dispositivos más recientes y componentes fotónicos para sensores de alta tecnología.

Los vasos más comunes están hechos de sílice, cal y soda. Pero durante siglos se han agregado ingredientes adicionales al vidrio para conferir propiedades como color y resistencia al calor. Y los investigadores todavía están trabajando en vidrio, buscando darle mayor funcionalidad y mejorar su rendimiento para tareas específicas, creando vidrio cada vez más de alta tecnología y lo que podría denominarse vidrio "inteligente".

Los materiales inteligentes no son fáciles de definir, pero en términos generales están diseñados para responder de una manera específica a los estímulos externos. En términos de vidrio, la aplicación "inteligente" más obvia es para las ventanas, en particular, para controlar la cantidad de luz que pasa a través del vidrio. De esa manera podemos aumentar la eficiencia energética de cualquier edificio: reduciendo el calor en el verano, mientras lo mantenemos caliente en climas más fríos.

El color o la opacidad de algunos vidrios inteligentes se pueden cambiar aplicando un voltaje al material, alterando así ciertas propiedades ópticas, como la absorción y la reflectancia, de una manera reversible. Tales ventanas inteligentes "electrocrómicas" pueden controlar la transmisión de ciertas frecuencias de luz, como ultravioleta o infrarrojos, a pedido, o incluso bloquearlas por completo. La aplicación de esta tecnología es popular no solo en edificios, sino también en pantallas electrónicas y vidrios polarizados de automóviles.

De hecho, las ventanas electrocrómicas están por delante de otras tecnologías en este campo y ya se han comercializado. Pero a pesar de funcionar bien, tienen algunas desventajas obvias. Son bastante complejos y caros, y adaptarlos a edificios más antiguos generalmente requiere instalar nuevas ventanas, marcos de ventanas y conexiones eléctricas. Tampoco son automáticos: debe encenderlos y apagarlos.

Para abordar algunos de estos problemas, los investigadores han estado trabajando en ventanas termocrómicas, que se activan con cambios de temperatura en lugar de voltaje. Una gran atracción es que son pasivos: una vez instalados, sus propiedades cambian con la temperatura ambiente, sin necesidad de intervención humana. El método dominante para crear tales ventanas termocrómicas es aplicar una capa de dióxido de vanadio al vidrio (Joule 10.1016/j.joule.2018.06.018), pero también se pueden usar otros materiales como las perovskitas (J. App. Energy254 113690). Estos materiales experimentan una transición de fase, volviéndose más o menos transparentes a medida que cambia la temperatura, un efecto que se puede ajustar para diferentes condiciones.

Si bien el dióxido de vanadio es muy prometedor para las ventanas inteligentes, existen obstáculos que superar. Debido a su fuerte absorción, el dióxido de vanadio produce un tinte amarillento amarronado desagradable y se necesita más trabajo sobre la estabilidad ambiental (Adv. Manuf.6 1). Una revisión reciente también sugiere que, aunque estas tecnologías podrían proporcionar ahorros de energía significativos, se necesita más investigación sobre su uso e impacto en entornos del mundo real. Por ejemplo, se ha descubierto que el rendimiento energético de las ventanas termocrómicas varía mucho entre diferentes ciudades que usan el mismo tipo de película, pero mucho menos entre diferentes tipos de película que se usan en la misma ciudad (J. App. Energy255113522).

Pero el vidrio de alta tecnología no termina con las ventanas inteligentes. Los investigadores han descubierto que si agregan más metales inusuales al vidrio, pueden ayudar a proteger los paneles solares y hacerlos más eficientes (consulte el recuadro: Mejora del vidrio de cubierta fotovoltaica). Mientras tanto, el vidrio bioactivo puede ayudarnos a regenerar huesos y otros tejidos (consulte el recuadro: Reparación de huesos y otros tejidos), mientras que los nuevos procesos de grabado podrían permitirnos agregar múltiples funciones al vidrio sin necesidad de recubrimientos superficiales (consulte el recuadro: Antirreflejos). , autolimpiante y antibacteriano). Y aunque no son gafas ópticas tradicionales, los nuevos materiales de cambio de fase podrían ayudar a crear sistemas ópticos más ligeros y compactos (ver recuadro: Control no mecánico de la luz). Finalmente, el vidrio podría algún día ser capaz de curarse a sí mismo (ver recuadro: Vidrio inmortal).

Puede parecer sorprendente, pero no toda la luz solar es buena para las células solares. Mientras que las unidades fotovoltaicas convierten la luz visible e infrarroja en energía eléctrica, la luz ultravioleta (UV) las daña. Al igual que en el caso de una quemadura solar, la luz ultravioleta afecta negativamente a los polímeros a base de carbono que se utilizan en las células fotovoltaicas orgánicas. Los investigadores han descubierto que el daño de la luz ultravioleta hace que la capa semiconductora orgánica sea más resistente eléctricamente, lo que reduce el flujo de corriente y la eficiencia general de la celda.

Este problema no se limita a las células orgánicas. La luz ultravioleta también obstaculiza la fotovoltaica basada en silicio más común, que consiste en una pila de diferentes materiales. La capa fotoactiva a base de silicio se intercala entre polímeros que la protegen de la entrada de agua, y luego esta unidad se cubre con una cubierta de vidrio, que la protege aún más de los elementos mientras permite el paso de la luz solar. El problema con la luz ultravioleta es que daña los polímeros, permitiendo que el agua penetre y corroa los electrodos.

Paul Bingham, un experto en vidrio de la Universidad Sheffield Hallam, Reino Unido, explica que para mejorar la eficiencia de los paneles solares "la dirección predominante en las últimas décadas ha sido hacer que el vidrio sea cada vez más claro". Esto significa eliminar los productos químicos que colorean el vidrio, como el hierro, que produce un tinte verde. Desafortunadamente, como explica Bingham, esto deja pasar más luz ultravioleta, dañando aún más el polímero.

Por lo tanto, Bingham y sus colegas han ido en la otra dirección: han dopado químicamente el vidrio de tal manera que absorbe la luz ultravioleta dañina pero es transparente a la útil luz infrarroja y visible. El hierro aún no es un aditivo ideal, ya que absorbe algunas longitudes de onda visibles e infrarrojas, y lo mismo ocurre con otros metales de transición de primera fila, como el cromo y el cobalto.

En cambio, el equipo de Bingham ha estado experimentando con elementos de transición de segunda y tercera fila que normalmente no se agregarían al vidrio, como niobio, tantalio y circonio, junto con otros metales como bismuto y estaño. Estos crean una fuerte absorción UV sin ninguna coloración visible. Cuando se usa en la cubierta de vidrio, esto extiende la vida útil de los paneles fotovoltaicos y los ayuda a mantener una mayor eficiencia, por lo que generan más electricidad durante más tiempo.

El proceso también tiene otro beneficio. "Lo que hemos encontrado es que muchos de los dopantes absorben fotones UV, pierden un poco de energía y luego los vuelven a emitir como fotones visibles, básicamente fluorescencia", dice Bingham. Crean fotones útiles que se pueden convertir en energía eléctrica. En un estudio reciente, los investigadores demostraron que estos vidrios pueden mejorar la eficiencia de los módulos solares hasta en un 8 %, en comparación con los vidrios de cobertura estándar (Prog. en fotovoltaica 10.1002/pip.3334).

En 1969, el ingeniero biomédico Larry Hench, de la Universidad de Florida, buscaba un material que pudiera adherirse al hueso sin ser rechazado por el cuerpo humano. Mientras trabajaba en una propuesta para el Comando de Diseño e Investigación Médica del Ejército de EE. UU., Hench se dio cuenta de que se necesitaba un material novedoso que pudiera formar un vínculo vivo con los tejidos del cuerpo, sin ser rechazado, como suele ser el caso con el metal. e implantes de plástico. Eventualmente sintetizó Bioglass 45S5, una composición particular de vidrio bioactivo que ahora es una marca registrada de la Universidad de Florida.

Una combinación específica de óxido de sodio, óxido de calcio, dióxido de silicio y pentóxido de fósforo, el vidrio bioactivo ahora se usa como tratamiento ortopédico para restaurar huesos dañados y reparar defectos óseos. "El vidrio bioactivo es un material que se coloca en el cuerpo y comienza a disolverse, y mientras lo hace, en realidad le dice a las células y al hueso que se vuelvan más activos y produzcan hueso nuevo", dice Julian Jones, un experto en el material, de Imperial Universidad de Londres, Reino Unido.

Jones explica que hay dos razones principales por las que el vidrio funciona tan bien. Primero, a medida que se disuelve, forma una capa superficial de apatita de hidroxicarbonato, que es similar al mineral del hueso. Esto significa que interactúa con el hueso y el cuerpo lo ve como un objeto nativo, en lugar de extraño. En segundo lugar, a medida que se disuelve, el vidrio libera iones que envían señales a las células para que produzcan hueso nuevo.

Clínicamente, el vidrio bioactivo se usa principalmente como un polvo que se transforma en una masilla y luego se empuja hacia el defecto óseo, pero Jones y sus colegas han estado trabajando en materiales similares a andamios impresos en 3D para reparaciones estructurales más grandes. Estos son híbridos inorgánicos-orgánicos de vidrio bioactivo y polímero a los que se refieren como Biovidrio hinchable. La arquitectura impresa en 3D proporciona buenas propiedades mecánicas, pero también una estructura que favorece el crecimiento de las células de la manera correcta. De hecho, Jones descubrió que al cambiar el tamaño de los poros del andamio, se puede estimular a las células madre de la médula ósea para que crezcan hueso o cartílago. "Hemos tenido un gran éxito con el cartílago Bioglass que rebota", dice Jones.

El vidrio bioactivo también se está utilizando para regenerar heridas crónicas, como las causadas por úlceras diabéticas. La investigación ha demostrado que los apósitos de algodón, como los de vidrio, pueden curar heridas, como las úlceras del pie diabético, que no han respondido a otros tratamientos (Int. Wound J. 19 791).

Pero Jones dice que el uso más común del vidrio bioactivo es en algunas pastas dentales sensibles, donde estimula la mineralización natural de los dientes. "Tienes dientes sensibles porque tienes túbulos que van a la cavidad nerviosa en el centro del diente, así que si mineralizas esos túbulos no hay forma de que entren en la cavidad de la pulpa", explica.

En el University College London, los investigadores han estado grabando estructuras a nanoescala en la superficie del vidrio para darle múltiples funciones diferentes. Se han probado técnicas similares en el pasado, pero ha resultado desafiante y complicado estructurar la superficie de vidrio con detalles lo suficientemente finos. Sin embargo, el nanoingeniero Ioannis Papakonstantinou y sus colegas desarrollaron recientemente un novedoso proceso de litografía que les permite detallar vidrio con precisión a nanoescala (Adv. Mater.332102175).

Inspirándose en las polillas que usan estructuras similares para el camuflaje óptico y acústico, los investigadores grabaron una superficie de vidrio con una serie de conos de nanoescala de longitud de onda inferior para reducir su reflectividad. Descubrieron que esta superficie estructurada reflejaba menos del 3 % de la luz, mientras que un vidrio de control reflejaba alrededor del 7 %. Papakonstantinou explica que los nanoconos ayudan a salvar los cambios entre el índice de refracción de la superficie del vidrio y el del aire, al suavizar la transición abrupta del aire al vidrio. Esto reduce la dispersión y, por lo tanto, la cantidad de luz que se refleja en la superficie.

La superficie también es superhidrofóbica y repele las gotas de agua y aceites para que reboten en los cojines de aire atrapados en las nanoestructuras. A medida que las gotas caen, recogen contaminantes y suciedad, lo que hace que el vidrio se limpie solo, como explica Papakonstantinou. Y como beneficio final, las bacterias luchan por sobrevivir en el vidrio, con los conos afilados perforando sus membranas celulares. Centrándose en Staphylococcus aureus, la bacteria que causa las infecciones por estafilococos, la microscopía electrónica de barrido ha demostrado que el 80 % de las bacterias que se depositan en la superficie mueren, en comparación con alrededor del 10 % en el vidrio estándar. Según los investigadores, esta es la primera demostración de una superficie de vidrio antibacteriana.

La luz generalmente se controla en los sistemas ópticos mediante partes móviles, como una lente que se puede manipular para cambiar el punto focal de la luz o dirigir un haz. Pero una nueva clase de materiales de cambio de fase (PCM) podría cambiar las propiedades de los componentes ópticos sin ninguna intervención mecánica.

Un PCM puede pasar de tener una estructura cristalina organizada a ser amorfo y similar al vidrio cuando se aplica alguna forma de energía, como una corriente eléctrica. Estos materiales se han utilizado durante mucho tiempo para almacenar datos en discos ópticos, con las dos fases representando los dos estados binarios. Pero estos materiales realmente no se han utilizado en óptica más allá de tales aplicaciones, porque una de las fases normalmente es opaca.

Recientemente, sin embargo, investigadores en los EE. UU. han creado una nueva clase de PCM basada en los elementos germanio, antimonio, selenio y telurio, conocida como GSST (Nature Comms10 4279). Descubrieron que, si bien los estados vítreo y cristalino de estos materiales son transparentes a la luz infrarroja, tienen índices de refracción muy diferentes. Esto se puede aprovechar para crear ópticas reconfigurables que pueden controlar la luz infrarroja.

Juejun Hu, científico de materiales del Instituto Tecnológico de Massachusetts, dice que en lugar de tener un dispositivo óptico con una aplicación, puedes programarlo para que tenga varias funciones diferentes. "Incluso podría cambiar de una lente a una rejilla de difracción o un prisma", explica.

Las propiedades de los PCM se utilizan mejor, dice Hu, mediante la creación de metamateriales ópticos, en los que se forman estructuras a nanoescala de longitud de onda inferior en la superficie y cada una se ajusta para interactuar con la luz de una manera específica para crear un efecto deseado, como enfocar un rayo de luz Cuando se aplica una corriente eléctrica al material, la forma en que las nanoestructuras de la superficie interactúan con la luz cambia a medida que cambia el estado del material y el índice de refracción.

El equipo ya ha demostrado que puede crear elementos como lentes con zoom y obturadores ópticos que pueden apagar rápidamente un haz de luz. Kathleen Richardson, experta en materiales ópticos y fotónica de la Universidad de Florida Central, que trabajó con Hu en los materiales GSST, dice que estos materiales podrían simplificar y reducir el tamaño de los sensores y otros dispositivos ópticos. Permitirían combinar múltiples mecanismos ópticos, reduciendo el número de piezas individuales y eliminando la necesidad de varios elementos mecánicos. "Múltiples funciones en el mismo componente hacen que la plataforma sea más pequeña, más compacta y más liviana", explica Richardson.

“Puedes torcer las leyes de la física, pero no puedes romperlas”, dice Paul Bingham, quien se especializa en vidrios y cerámica en la Universidad Sheffield Hallam, Reino Unido. "Fundamentalmente, el vidrio es un material quebradizo y si aplica suficiente fuerza sobre una parte lo suficientemente pequeña del vidrio, se romperá". Aún así, hay varias formas en que se puede mejorar su rendimiento.

Considere los teléfonos móviles. La mayoría de las pantallas de los teléfonos inteligentes están hechas de vidrio endurecido químicamente, siendo el Gorilla Glass el más común. Desarrollado por Corning en la década de 2000, este vidrio fuerte, resistente a los arañazos pero delgado ahora se puede encontrar en alrededor de cinco mil millones de teléfonos inteligentes, tabletas y otros dispositivos electrónicos. Pero el vidrio reforzado químicamente no es completamente irrompible. De hecho, la pantalla del teléfono de Bingham está rota. "Lo dejé caer una vez y luego lo dejé caer de nuevo y aterrizó exactamente en el mismo punto y se acabó el juego", dice.

Para mejorar aún más la durabilidad de las pantallas de vidrio, Bingham ha estado trabajando en un proyecto titulado "Fabricación de la inmortalidad" con científicos de polímeros de la Universidad de Northumbria, dirigidos por el químico Justin Perry, que han desarrollado polímeros autorreparables. Si corta estos polímeros autorreparables por la mitad y luego junta las piezas, con el tiempo se volverán a unir. Los investigadores han estado experimentando con la aplicación de revestimientos de dichos materiales al vidrio.

Si aplica suficiente fuerza, estas pantallas aún se romperán, pero si deja caer una y rompe la capa de polímero, podría curarse por sí sola. Esto sucederá en condiciones de temperatura ambiente, aunque calentarlos un poco, dejándolos en un lugar cálido, por ejemplo, podría acelerar el proceso. "Se trata de mejorar la vida útil de los productos, haciéndolos más sostenibles y resistentes", dice Bingham. Y podría ser útil para muchos productos que usan vidrio como capa protectora, no solo para teléfonos inteligentes.