Революционное новое стекло в десять раз прочнее и почти наполовину сокращает углеродный след

Исследователи из Пенсильванского государственного университета в США разработали новый тип стекла, которое в десять раз прочнее своего обычного аналога и имеет почти вдвое меньший углеродный след. Названное «LionGlass», оно может помочь в борьбе с выбросами парниковых газов, а также сделать продукты легче без ущерба для прочности.

По словам исследователей, производство стекла в настоящее время выбрасывает ошеломляющие 68 миллионов тонн углекислого газа по всему миру каждый год.

Исследователи работают над коммерциализацией, уже подав патентную заявку на все составы семейства LionGlass. Стекло может найти применение во всем: от окон и экранов телефонов до бытовой посуды.

Исследование было проведено ученым-стекольщиком профессором Джоном Мауро и его коллегами из Университета штата Пенсильвания.

Команда объясняет, что «натриево-кальциево-силикатное» стекло, которое можно найти в предметах от окон до стеклянной посуды, производится путем плавления трех ингредиентов — кварцевого песка, кальцинированной соды и известняка.

Часть проблемы заключается в том, что кальцинированная сода (карбонат натрия) и известняк (карбонат кальция) при плавлении выделяют углекислый газ, вызывающий парниковый эффект.

Профессор Мауро сказал: «Во время процесса варки стекла карбонаты разлагаются на оксиды и выделяют углекислый газ, который выбрасывается в атмосферу».

Однако львиная доля выбросов от производства стекла приходится на производство энергии, необходимой для нагрева печей до температур плавления обычного стекла — около 1550–1600C.

LionGlass, напротив, имеет температуру плавления примерно на 300–400C ниже, а это означает, что для его производства требуется примерно на 30 процентов меньше энергии, чем для натриево-известкового стекла.

Профессор Мауро добавил: «Наша цель — сделать производство стекла устойчивым в долгосрочной перспективе. LionGlass исключает использование углеродсодержащих шихтовых материалов и значительно снижает температуру плавления стекла».

Более того, команда была удивлена, обнаружив, что их новое стекло обладает значительно более высокой устойчивостью к растрескиванию, чем его обычный аналог.

LionGlass может быть как минимум в десять раз более устойчивым к растрескиванию, чем стандартное известково-натриевое стекло, которое имеет тенденцию к разрушению, когда к нему прикладывается сила около 0,1 кг.

Исследователи отметили, что на самом деле он может быть еще сильнее — с некоторыми конкретными композициями, переживающими все, что они могли метафорически бросить в него с помощью алмазного индентора, имеющегося в их распоряжении.

Специалист по материалам Penn State доктор Ник Кларк объяснил: «Мы продолжали увеличивать вес LionGlass, пока не достигли максимальной нагрузки, которую позволяет оборудование. Он просто не треснет».

Устойчивость к растрескиванию является ключевым свойством серийно выпускаемого стекла, поскольку из-за изломов материал в конечном итоге выходит из строя.

Исследователи объяснили, что со временем на поверхности стекла появляются микротрещины, которые образуют слабые места.

Профессор Мауро сказал: «Устойчивость к повреждениям является особенно важным свойством стекла. Подумайте обо всех случаях, когда мы полагаемся на прочность стекла — в автомобильной и электронной промышленности, сельском хозяйстве и в коммуникационных технологиях, таких как волоконно-оптические кабели. Даже в здравоохранении вакцины хранятся в прочной, химически стойкой стеклянной упаковке».

Исследователи надеются, что, поскольку LionGlass прочнее своего обычного аналога, изделия из него могут иметь более тонкий дизайн.

Профессор Мауро объяснил: «Мы должны уменьшить толщину и при этом получить тот же уровень сопротивления повреждениям. Если у нас есть более легкий продукт, это даже лучше для окружающей среды, потому что мы используем меньше сырья и меньше энергии для его производства».

Завершив первоначальное исследование, исследователи теперь подвергают различные составы LionGlass различным химическим средам, чтобы увидеть, как они реагируют, и оценить виды использования, которые материал может найти в реальном мире.

Профессор Мауро добавил: «Люди научились производить стекло более 5000 лет назад, и с тех пор это имеет решающее значение для того, чтобы привести современную цивилизацию туда, где она находится сегодня. Сейчас мы находимся в моменте, когда нам это нужно, чтобы помочь сформировать будущее, поскольку мы сталкиваемся с глобальными проблемами, такими как проблемы окружающей среды, возобновляемые источники энергии, энергоэффективность, здравоохранение и городское развитие».

Он заключил: «Стекло может сыграть жизненно важную роль в решении этих проблем, и мы готовы внести свой вклад».