15 октября исследователи из Технологического университета Чалмерса в Швеции успешно создали новый тип сверхстабильного и прочного стекла, которое потенциально может применяться, в том числе в медицине, передовых цифровых экранах и технологии солнечных батарей. Исследование показало, что смешивание нескольких молекул (до восьми одновременно) позволяет получить материал, который по своим характеристикам не уступает лучшим известным в настоящее время стеклообразователям.
Стекло, также известное как «аморфное твердое тело», представляет собой материал без дальноупорядоченной структуры — оно не образует кристаллов. С другой стороны, кристаллические материалы — это материалы с высокоупорядоченным и повторяющимся узором.
Материал, который мы обычно называем «стеклом» в повседневной жизни, в основном основан на кремнеземе, но стекло может быть изготовлено из самых разных материалов. Поэтому исследователи всегда заинтересованы в поиске новых способов стимулирования различных материалов к образованию этого аморфного состояния, что может привести к разработке новых стекол с улучшенными свойствами и новым применениям. Новое исследование, недавно опубликованное в научном журнале Science Advances, представляет собой важный шаг вперед в исследованиях.
Теперь, просто смешав множество разных молекул, мы внезапно открыли возможность создания новых и лучших стеклянных материалов. Те, кто изучает органические молекулы, знают, что использование смеси двух или трех разных молекул может помочь образовать стекло, но мало кто может ожидать, что добавление большего количества молекул позволит достичь таких отличных результатов», — возглавила исследование исследовательская группа. Об этом сообщил профессор Кристиан Мюллер с кафедры химии и химического машиностроения Ульмского университета.
Наилучшие результаты для любого стеклообразующего материала
Когда жидкость охлаждается без кристаллизации, образуется стекло — процесс, называемый стеклованием. Использование смеси двух или трех молекул для стимулирования стеклования является зрелой концепцией. Однако влиянию смешивания большого количества молекул на способность образовывать стекло уделялось мало внимания.
Исследователи протестировали смесь из восьми различных молекул перилена, которые сами по себе обладают высокой хрупкостью — эта характеристика связана с легкостью, с которой материал образует стекло. Но смешивание множества молекул вместе приводит к значительному снижению хрупкости и образованию очень прочного стеклообразователя со сверхнизкой хрупкостью.
«Хрупкость стекла, которое мы изготовили в ходе наших исследований, очень низкая, что свидетельствует о его наилучших способностях к формированию стекла. Мы измеряли не только любые органические материалы, но также полимеры и неорганические материалы (например, объемное металлическое стекло). Результаты даже лучше, чем у обычного стекла. Способность оконного стекла образовывать стекло — одна из лучших, которые мы знаем», — сказала Сандра Хултмарк, аспирант кафедры химии и химического машиностроения и ведущий автор исследования.
Продлите срок службы продукта и сэкономьте ресурсы
Важными приложениями для более стабильного органического стекла являются технологии отображения, такие как OLED-экраны, и технологии возобновляемых источников энергии, такие как органические солнечные элементы.
«OLED состоят из стеклянных слоев светоизлучающих органических молекул. Если они будут более стабильными, это может увеличить долговечность OLED и, в конечном итоге, долговечность дисплея», — объяснила Сандра Хултмарк.
Еще одно применение, которое может выиграть от более стабильного стекла, — это лекарства. Аморфные препараты растворяются быстрее, что способствует быстрому усвоению действующего вещества при приеме внутрь. Поэтому во многих лекарствах используются стеклообразующие лекарственные формы. Для лекарств крайне важно, чтобы стекловидное тело не кристаллизовалось с течением времени. Чем стабильнее стеклообразный препарат, тем дольше срок хранения препарата.
«Благодаря более стабильному стеклу или новым стеклоформующим материалам мы можем продлить срок службы большого количества продуктов, тем самым экономя ресурсы и экономию», — сказал Кристиан Мюллер.
«Витрификация смеси синьюаньперилена со сверхнизкой хрупкостью» опубликована в научном журнале «Science Advances».
Время публикации: 06 декабря 2021 г.