Блог

Jun 02, 2023

Инъекция

Стекло — один из старейших материалов человечества, и он до сих пор широко используется для изготовления всего: от сосудов для питья и упаковки до оптики и средств связи. К сожалению, методы работы с

Стекло — один из старейших материалов человечества, и он до сих пор широко используется во всем: от сосудов для питья и упаковки до оптики и средств связи. К сожалению, методы работы со стеклом остались в прошлом. Большинство методов требуют сильного нагрева в диапазоне от 1500°C до 2000°C, и все они ограничены в сложности форм, которые можно изготовить.

Что касается изготовления форм, стекло можно выдувать, а расплавленное стекло прессовать в формы. Стекло также можно отшлифовать, протравить или отлить в печи. Стекло было бы фантастическим решением для многих применений, если бы не его ограниченная геометрия. Из-за ограничений изготовления стекла некоторые оптические линзы изготавливаются из полимеров, хотя стекло имеет лучшие оптические характеристики.

В идеале стекло можно было бы отлить под давлением, как пластик. Выгода от этого будет двойной: станут возможными более сложные формы, и время их изготовления будет намного быстрее. Что ж, ожидание закончилось. Исследователи из немецкого университета Фрайбурга нашли способ литья стекла под давлением. И это не просто стекло — они сделали высококачественное прозрачное стекло из плавленого кварца, и сделали это при более низких температурах, чем традиционные методы. Команда использовала дифракцию рентгеновских лучей, чтобы убедиться, что стекло аморфно и не содержит кристаллов, и смогла подтвердить его оптическую прозрачность тремя способами — световой микроскопией, УФ-видимым и инфракрасным измерениями. Все, что он обнаружил, — это крошечный кусочек пыли, которого можно ожидать за пределами чистой комнаты.

Это интересная новость по двум важным причинам: литье под давлением открывает возможности для создания сложных форм, а также оно менее энергозатратно, чем традиционные методы формования стекла. Команда начала это путешествие в 2017 году, взломав 3D-принтер, позволяющий распылять стеклянную пасту вместо пластика. Для этого они изготовили порошок для печати из наночастиц кремнезема и полимера, отверждаемого УФ-излучением. Хотя это, безусловно, работало для создания сложных форм, печать и отверждение были медленным, поочередным процессом.

Но теперь они модернизировали процесс для работы с литьем под давлением. Так в чем же секрет? Еще больше полимеров космической эры. Они снова начали с наночастиц кремнезема и добавили полиэтиленгликоль (ПЭГ) и поливинилбутриаль (ПВГ). В результате получалась паста, которую они загружали в экструдер, а экструдер распылял пластифицированное стекло в маленькие замысловатые формы, похожие на крошечные шестеренки, диски и ладьи.

Когда детали выходят из формы, они удерживаются вместе благодаря взаимодействиям Ван-дер-Ваальса, которые происходят между частицами кремнезема. Это слабые электростатические силы, которые связывают молекулы друг с другом. Для более прочного соединения исследователи сначала замачивают детали в воде на несколько часов, чтобы смыть ПЭГ. Затем они обжигают детали в два этапа — один раз при 600°C, чтобы выжечь ПВБ, и второй раз при 1300°C, чтобы сплавить частицы кремнезема вместе. На данный момент пластика уже нет, и осталось только стекло.

Доктор Фредерик Коц, один из исследователей и руководитель группы стартапа по производству материалов Glassomer, рассказал об своем открытии следующее:

Мы видим большой потенциал, особенно для небольших высокотехнологичных стеклянных компонентов сложной геометрии. Помимо прозрачности, интересной технологию делает очень низкий коэффициент расширения стекла. Датчики и оптика надежно работают при любой температуре, если ключевые компоненты изготовлены из стекла.

Хотя литье под давлением происходит быстрее, чем процесс печати и отверждения, который команда использовала несколько лет назад, есть одна загвоздка: смывать ПЭГ необходимо в течение нескольких дней, чтобы стекло не растрескалось. Наверняка кто-то придумает способ сделать это быстрее. Возможно, даже до того, как в следующий раз миру понадобятся стеклянные флаконы для миллиардов доз новой вакцины.

Изображения через Glassomer