Новый тип стекла, которое в 10 раз экологичнее и устойчивее к повреждениям

Образец LionGlass, нового типа стекла, разработанного исследователями из Университета штата Пенсильвания, которое требует гораздо меньше энергии для производства и более устойчиво к повреждениям, чем стандартное натриево-известковое силикатное стекло. Предоставлено: Адриан Берард/Пенн Стейт.

В мире стекольная промышленность производит меньше всего 86 миллионов тонн углекислого газа ежегодно. Тем не менее, новый тип стекла под названием LionGlass, разработанный исследователями штата Пенсильвания, позволяет снизить выброс углерода на 50%. Мало того, что это инновационное стекло требует гораздо меньше энергии для производства, оно также обладает большей устойчивостью к повреждениям, чем традиционное известково-натриевое силикатное стекло. Ученые, стоящие за этим прорывом, недавно подали заявку на патент, что стало первым шагом к выводу LionGlass на рынок.

«Наша цель — сделать производство стекла устойчивым в долгосрочной перспективе», — сказал Джон Мауро, профессор материаловедения и инженерии Дороти Батт Энрайт в Пенсильванском университете и главный исследователь проекта. «LionGlass исключает использование углеродосодержащих добавок и значительно снижает температуру плавления стекла».

Известково-натриевое силикатное стекло, обычное стекло, используемое в предметах повседневного обихода, от окон до стеклянной посуды, производится путем плавления трех основных материалов: кварцевого песка, кальцинированной соды и известняка. Кальцинированная сода — это карбонат натрия, а известняк — это карбонат кальция, и оба они выделяют углекислый газ (CO2), парниковый газ, который удерживает тепло при плавлении.

«Во время плавки стекла карбонаты разлагаются на оксиды и выделяют углекислый газ, который выбрасывается в атмосферу», — сказал Мауро.

Но основная часть выбросов углекислого газа приходится на энергию, необходимую для нагрева печей до высоких температур, необходимых для плавления стекла. С LionGlass температура плавления падает примерно на 300-400 градусов. ЦельсияМауро объяснил, что это приводит к снижению потребления энергии примерно на 30% по сравнению с традиционным натриево-кальциевым стеклом.

LionGlass не только менее вреден для окружающей среды, но и прочнее традиционного стекла. Исследователи сказали, что были удивлены, обнаружив, что новое стекло, названное в честь талисмана Ниттани Льва в Пенсильвании, имеет более высокую трещиностойкость, чем обычное стекло.

Некоторые светильники из стеклянных панелей обладают такой высокой устойчивостью к растрескиванию, что стекло не треснет даже при силовой нагрузке в один килограмм алмазной трубы Vickers. LionGlass как минимум в десять раз более устойчив к растрескиванию, чем стандартное известково-натриевое стекло, которое образует трещины под нагрузкой около 0,1 кг силы. Исследователи объяснили, что пределы LionGlass еще не были обнаружены, потому что они достигли максимальной нагрузки, которую позволяло оборудование для вдавливания.

«Мы продолжали увеличивать вес LionGlass, пока не достигли максимальной нагрузки, которую позволяло оборудование», — сказал Ник Кларк, научный сотрудник лаборатории Мауро. «Он просто не сломается».

Мауро объяснил, что устойчивость к растрескиванию — одно из самых важных качеств стекла, которое необходимо проверить, потому что именно из-за этого материал в конечном итоге выходит из строя. Со временем на поверхности стекла появляются небольшие трещины, которые становятся слабыми местами. Когда кусок стекла разбивается, это происходит из-за слабых мест, вызванных присутствующими микротрещинами. Он добавил, что особую ценность в первую очередь представляет стекло, устойчивое к образованию микротрещин.

«Устойчивость к повреждениям — особенно важное свойство стекла, — сказал Мауро. «Подумайте обо всех случаях, когда мы полагаемся на прочность стекла в автомобильной и электронной промышленности, в архитектуре и в коммуникационных технологиях, таких как волоконно-оптические кабели. Даже в здравоохранении вакцины хранятся в прочных, химически стойких стеклянных контейнерах».

Мауро надеется, что повышенная прочность LionGlass означает, что изделия, созданные из него, могут быть еще легче. Поскольку LionGlass в десять раз более устойчив к повреждениям, чем обычное стекло, оно может быть значительно тоньше.

«Мы должны иметь возможность уменьшить толщину и сохранить тот же уровень сопротивления повреждениям», — сказал Мауро. «Если у нас есть более легкий продукт, это лучше для окружающей среды, потому что мы используем меньше сырья и нам нужно меньше энергии для его производства. Даже ниже по течению, для транспортировки, это снижает энергию, необходимую для перемещения стекла, так что это выигрыш». выигрышная ситуация».

Мауро отмечает, что исследовательская группа все еще оценивает потенциал LionGlass. Они подали патентную заявку на все семейство стекол, а это означает, что в семействе LionGlass есть множество композиций, каждая из которых имеет свои отличительные характеристики и потенциальные области применения. Сейчас они подвергают различные составы LionGlass различным химическим средам, чтобы изучить их взаимодействие. Полученные данные помогут команде лучше понять, как LionGlass используется во всем мире.

«Люди научились изготавливать стекло более 5000 лет назад, и с тех пор стало необходимо привести современную цивилизацию туда, где она находится сегодня», — сказал Мауро. «Сейчас мы находимся в то время, когда нам нужно помочь сформировать будущее, поскольку мы сталкиваемся с глобальными проблемами, такими как проблемы окружающей среды, возобновляемые источники энергии, энергоэффективность, здравоохранение и городское развитие. Стекло может сыграть жизненно важную роль в решении этих проблем, и мы готовы внести свой вклад».