Vejen mod selvhelende glas

Vejen mod selvhelende glas

Det særlige cæsium aluminumborat glas kan reagere med vand fra atmosfæren og hele revner i glassets overflade.
Foto: AAU

Aalborg Universitets glaskemikere har gjort sig et mærkværdigt fund; en special type glas, hvis eksisterende brud, modsat andre typer glas, ikke forværres af vand, men derimod viser selvhelende egenskaber. Refleksionstid har talt med lederen af forskningsgruppen bag fundet, Professor MSO Morten Mattrup Smedskjær.

Hvad er glas egentlig?

Det kan måske virke en smule elementært at starte med spørgsmålet om, hvad glas er. Det er svært at tro, der skulle være nogen som ikke har kendskab til materialet. Men faktisk betyder glas noget lidt andet indenfor den kemiske verden, end hvad vi normalt i dagligdagen forstår som glas. Glas er nemlig indenfor kemien nærmere en tilstandsform end et bestemt type materiale.

Der findes som de fleste er bekendt, en række forskellige tilstandsformer som fast, flydende, gas, og glas er også en sådan tilstandsform. Den befinder sig et sted imellem de faste krystallinske stoffer og væsker. Måden vi typisk kan opnå denne glastilstand, er ved en relativt hurtig nedkøling fra en varm væskeform. På denne måde når atomerne ikke at ordne sig i et krystallinsk gitter, og vi opnår i stedet denne glastilstand.

Det vi i normalt forstår som glas, kendes som oxid glas med oxygen (ilt) som primær komponent. Men der er mange andre stoffer, der også kan optræde i glastilstand. Når vi snakker om glaskemi, er det altså værd først at huske, at glas betegner mange andre ting en blot det hårde gennemsigtige materiale, vi normalt tænker på. Den faste følger af Refleksionstid vil fx kende til celleglas som er en anden type oxid glas.

Glas findes altså i mange forskellige typer og forskellige steder. Fra de mange lag af forskellige glas i vores mobiltelefoner, til glasfibre i vindmøller fx og helt ind i vores kroppe til hjælp af knoglegendannelse. Glas bruges derfor steder de fleste af os ikke lige umiddelbart overvejer.

Forskning i oxid glas

I denne sammenhæng skal det handle om oxid glas, og Morten forklarer, at forskningen generelt forsøger at analysere sammenhængen mellem tre elementer. 1 – Den kemiske sammensætning, hvilke råmaterialer og altså atomer består glasset af, 2 – den atomare struktur, hvordan er atomerne bundet sammen, og 3 – de fysiske, mekaniske egenskaber som glasset har, fx hvor holdbart det er.

Grunden til at man er interesseret i denne ’trekant’ af sammenhænge er rent praktisk selvfølgelig for at forbedre glasproduktionen. Grundet de mange anvendelser bliver der produceret rigtig meget glas, og det indebærer naturligvis en vis belastning for miljøet. Én af svaghederne ved oxid glas er hvad Morten betegner dets ”mekaniske sprødhed”, altså problemet, at glas nemt splintres. Kunne man derfor forbedre dets modstand heroverfor, så kunne man måske nøjes med at producere halvt så tykke glas, og dermed nedbringe miljøbelastningen.

 

Hvordan forbedrer vi vores glas?

Der er i udgangspunktet to måder dette gøres på. Den ene fokuserer på efterbehandling af glasset. Morten nævner to efterbehandlingsteknikker, hhv. en ”termisk hærdning”, hvor man køler glasset meget hurtigt, ofte brugt mht. bilruder, og ligeledes en ”kemisk hærdning”, hvor man inkorporerer nogle atomer i glassets overflader, brugt i vores mobiltelefoner og tablets.

Den anden måde kaldes kompositionel design. I stedet for at fremstille noget glas, og så derefter efterbehandle det, ændrer man i stedet glassets kemiske opbygning, i et forsøg på at fremstille noget glas, som allerede indeholder, de ønskede egenskaber.

Fordelen ved kompositionel design er, at man i udgangspunktet vil spare ressourcer, da man går fra to processer til én. En anden fordel er, at man her, som Morten siger, faktisk i teorien har hele det periodiske system til rådighed. Man har så at sige mere frie hænder til at skabe et glas med en bestemt opbygning, hvor man i efterbehandlingsmetoden er mere bundet. Det er på samme tid også en udfordring, da man pludselig står med mange milliarder forskellige kompositionsmuligheder. Efter mange år med glasforskning, som traditionelt set har været baseret på ’trial and error’, har man efterhånden opbygget en vis viden om forskellige sammenhænge. På baggrund heraf er målet så at opstille nogle modeller, der kan hjælpe med både at forstå og forudsige frugtbare sammensætninger; altså en måde at forsøge at skubbe glaskemien mod et mere teoretisk fundament og et hurtigere og mere effektivt design af nye glasmaterialer.

 

Selvhelende glas?

Hvad er selvhelende glas så, og hvordan lykkedes det at finde frem til det? Som ofte er tilfældet indenfor forskning, så fandt man ikke denne glastype ved bevidst at lede efter det. Den specielle glas som viste sig at have disse spændende ’selvhelende egenskaber’ kaldes cæsium aluminumborat glas – glas bestående af aluminium, bor, oxygen, og cæsium.

Historien starter med Kacper Januctas ph.d.-afhandling. En del af dette projekt indebar undersøgelsen af forskellige aluminumborat glas, hvoraf et af dem var denne cæsiumudgave. Morten forklarer, at en af måderne at undersøge de her aluminiumborat glas var, ved at lave trykundersøgelser og derefter lave en varmebehandling. Man påfører altså glasset et tryk med forskellige genstande, undersøger hvordan glasset reagerer på de forskellige tryk, og ser hvordan det ændrer sig med en efterfølgende opvarmning.

Man kunne se hvordan cæsiumglasset havde et unikt karaktertræk. Det ændrede struktur uden varmebehandling. Strukturændringer, eller såkaldte deformationer, er positive træk ved et glas. Hvis vi har at gøre med en meget rigid struktur, der ikke lade sig deformere ved tryk, er der risiko for at hele energien overført fra trykket går til revnedannelse. Hvis strukturen derimod lade sig deformere, vil en del af energien kunne gå til deformering, og ikke revnedannelse. Man kan måske forstå det som en form for mikrostøddæmper i glasset.

Dette fænomen betegnes mikroduktilitet. Duktilitet er bestemt som et materiales evne til at deformere permanent uden at gå i stykker, og mikroduktilitet er i samme forstand glassets evne til at ændre sin atomare struktur, uden at glasset danner små revner.

Der er normalt to mekanismer, hvorpå en højere mikroduktilitet kan opnås. Enten pakker atomerne sig sammen ved tryk, eller også begynder de at flyde mere, og målet er at finde en god balance mellem disse mekanismer.

 

Vand: Ven eller fjende?

Cæsium aluminiumborat glas har en lav kemisk bestandighed, hvilket betyder, at det har lettere ved at reagere med vand i sine omgivelser og ændre sin struktur. Normalt er en sådan reaktion ikke at foretrække. Ser man på det atomare niveau, så betyder reaktionen med vandet, at nogle af broerne til oxygenmolekylerne nedbrydes, og i grelle tilfælde bliver glasset decideret opløst. En for høj kemisk bestandighed vil dog typisk gøre det for besværligt at behandle og producere glasset i det hele taget. Man er derfor interesseret i at finde en god balance, hvor glasset er holdbart, men ikke så holdbart at det kræver for mange ressourcer at behandle det.

Den lave kemiske bestandighed gør til gengæld også, at glasset nemmere kan reagere med vand-molekylerne i atmosfæren, som hjælper til en øget mikroduktilitet. Dette kunne ses ved den høje modstand specielt mod meget spidse tryk, som glas normalvis er følsomt overfor.

Cæsium-glasset viser yderligere en anden imponerende mekanisme. I stedet for at vandet bare reagerer med glassets overflade, så virker det til at trække dybere ned i glassets struktur. Det synes på denne måde at få den effekt, at det får glasset til at ’svulme op’, og på denne vis faktisk lukker nogle af de påførte brud. Og det er lige præcis dette, der giver anledning til den ’selvhelende’ effekt.

Dermed har glasset altså den effekt, at det blot ved at stå i en fugtig atmosfærisk luft, som den vi har herhjemme, over tid selv kan hele mindre overfladefejl. Men der er også nogle ulemper ved glasset. Som nævnt er der en fare ved den lave kemiske bestandighed, og selvom det er meget modstandsdygtigt overfor brud, så har det den ulempe, at når det først har dannet revner, så har disse meget nemt ved at udvikle sig. Så selvom skaderne kan hele over tid, så er der en ret stor risiko for at det går i stykker før en eventuel helingsproces overhovedet kan begynde. Desuden er glasset også relativt dyrt i råmaterialer.

Opdagelsen af dette selvhelende glas er derfor ifølge Morten også mere grundforskning, end noget der kan anvendes i morgen. Der er stadig mange aspekter, der skal undersøges; fx glassets struktur efter en længere ”selvhelelsesproces”: I udgangspunktet er brudstyrken ikke påvirket, men hvilke konsekvenser det har på mange andre områder, skal stadig undersøges.

Opdagelsen åbner dog op for en masse spændende undersøgelser, og hvis det lykkes at overkomme disse ulemper, vil et selvhelende glas selvfølgelig være en kæmpe fordel i et utal af sammenhænge, hvor vi benytter glas i dag. Og måske åbne for nye anvendelsesmuligheder i fremtiden.

 

/Anders Jensen

Vil man vide mere om cæsium aluminumborat glasset, kan man finde Kacper og Mortens artikel i Advanced Science her.

Skriv et svar

Din e-mailadresse vil ikke blive publiceret. Krævede felter er markeret med *