شیشه گران باستانی الهام‌بخش نسل جدیدی از شیشه های هوشمند

مجله اینترنتی باستان شناس : هزاران سال پیش، صنعتگران مصر و بین‌النهرین دریافتند که می‌توان شیشه را با افزودن مواد مناسب تغییر شکل داد. ترکیبات فلزی رنگ آن را تغییر می‌دادند، دمای ذوب آن را پایین می‌آوردند و شکل‌دهی آن را آسان‌تر می‌کردند. اشیاء شیشه‌ای آبی و سبز که در مسیرهای تجاری باستانی جابجا می‌شدند، نه تنها کالاهای لوکس بودند. آنها همچنین شواهد اولیه‌ای از یک دانش عملی عمیق بودند: شیشه می‌توانست مهندسی شود.

اکنون، تیمی از محققان در آلمان و بریتانیا این ایده قدیمی را به یکی از پیشرفته‌ترین حوزه‌های علم مواد وارد کرده‌اند. در مطالعه جدیدی که در مجله Nature Chemistry منتشر شده است، دانشمندان نشان می‌دهند که اصول آشنا در شیشه‌سازی سنتی می‌تواند برای ایجاد نسل جدیدی از شیشه‌های چارچوب فلزی-آلی یا شیشه‌های MOF با کاربردهای بالقوه در الکترونیک، حسگرها، جداسازی گاز، کاتالیز و جذب کربن مورد استفاده قرار گیرد.

شیشه گری باستانی با علم مواد مدرن ترکیب می‌شود

برای خوانندگان باستان‌شناسی، این ارتباط قابل توجه است. شیشه‌گران باستانی ساختارهای اتمی را به زبان امروزی درک نمی‌کردند، اما می‌دانستند که افزودنی‌ها می‌توانند رفتار شیشه مذاب را تغییر دهند. در شیشه‌های سیلیکاتی سنتی، موادی مانند ترکیبات سدیم یا کلسیم به عنوان اصلاح‌کننده عمل می‌کنند. آن‌ها شبکه سفت و سخت سیلیس را مختل می‌کنند، دمای پردازش را کاهش می‌دهند و ذوب و شکل‌دهی ماده را آسان‌تر می‌کنند.

این مطالعه جدید، منطق مشابهی را در مورد دسته‌ای بسیار متفاوت از شیشه‌ها به کار می‌برد .

محققان به جای شیشه معمولی مبتنی بر سیلیس، با ZIF-62، یک چارچوب ایمیدازولات زئولیتی، کار کردند. ZIFها متعلق به خانواده وسیع‌تری از چارچوب‌های فلزی-آلی هستند، موادی که از یون‌های فلزی متصل به مولکول‌های آلی ساخته شده‌اند. برخلاف شیشه پنجره‌های معمولی، این مواد می‌توانند حاوی منافذ میکروسکوپی باشند که به آنها خواص شیمیایی و فیزیکی غیرمعمول می‌دهد.

این تخلخل چیزی است که شیشه‌های MOF را به طور ویژه جالب می‌کند. فضاهای داخلی آنها می‌تواند به طور بالقوه گازهایی مانند دی اکسید کربن را به دام بیندازد، مولکول‌های جداگانه را جدا کند، کاتالیزورهای پشتیبان را پشتیبانی کند یا در دستگاه‌های نوری و الکترونیکی عمل کند. اما یک مانع بزرگ وجود داشته است: پردازش آنها دشوار است. بسیاری از شیشه‌های MOF فقط در دماهای بالا قابل استفاده می‌شوند، گاهی اوقات نزدیک به نقطه‌ای که ماده شروع به تخریب می‌کند.

شیشه‌ای با اتاق‌های میکروسکوپی درونش

محققان آزمایش کردند که آیا اصل باستانی اصلاح شیشه می‌تواند این مشکل را حل کند یا خیر. آنها ترکیبات لیتیوم و سدیم بنزیمیدازولات را به ZIF-62 اضافه کردند و از آنها به عنوان اصلاح‌کننده‌های شیشه به روشی مفهومی مشابه اصلاح‌کننده‌ها در شیشه‌سازی سیلیکات باستانی و مدرن استفاده کردند.

نتیجه، تغییر آشکاری در رفتار ماده بود. با افزایش مقدار اصلاح‌کننده‌ی پایه سدیم، دمای گذار شیشه‌ای به شدت کاهش یافت. در یک مورد، دمایی که در آن شیشه نرم شد از ۲۹۴ درجه سانتی‌گراد به ۱۶۱ درجه سانتی‌گراد کاهش یافت.

این تغییر مهم است. کاهش دمای گذار شیشه‌ای می‌تواند پردازش، شکل‌دهی و ادغام شیشه‌های MOF را در دستگاه‌های آینده آسان‌تر کند. شیشه‌های اصلاح‌شده همچنین در دماهای بالا سیال‌تر می‌شوند که یک ویژگی مفید برای تولید است.

در سطح اتمی، این مطالعه نشان داد که سدیم صرفاً درون منافذ قرار نگرفته است. بلکه در خود چارچوب شیشه نیز گنجانده شده است. با انجام این کار، بخش‌هایی از شبکه فلزی-آلی را تضعیف کرده و ساختار نامنظم‌تری ایجاد کرده است. این، به طور کلی، منعکس کننده اتفاقی است که هنگام اختلال در شبکه سیلیس در شیشه‌های معمولی توسط اصلاح‌کننده‌های سنتی شیشه رخ می‌دهد.

تخلخل می‌تواند از فناوری‌های جذب کربن پشتیبانی کند

مهم‌ترین نتیجه می‌تواند این باشد که پس از اصلاح شیشه با آب چه اتفاقی افتاد.محققان نشان دادند که بخشی از اصلاح‌کننده‌ی مبتنی بر سدیم می‌تواند از طریق فرآیند لیچینگ حذف شود. این فرآیند یادآور فرآیند وایکور است، روشی در قرن بیستم که برای ایجاد شیشه‌های سیلیکاتی متخلخل با حل کردن انتخابی بخش‌هایی از ماده استفاده می‌شد.

پس از شستشو، شیشه MOF متخلخل‌تر شد. اندازه‌گیری‌ها نشان داد که ماده‌ی اصلاح‌شده، ریزتخلخل‌های قابل دسترس را بازیابی کرده و فضای منافذ بیشتری ایجاد کرده است. طبق این مطالعه، حجم کل منافذ حدود ۲۶ درصد بیشتر از شیشه‌ی اصلی ZIF-62 تخمین زده شد.

این می‌تواند برای فناوری‌هایی که به مساحت سطح داخلی و شبکه‌های منافذ کنترل‌شده وابسته هستند، قابل توجه باشد. به‌طور خاص، محققان جذب دی‌اکسید کربن را آزمایش کردند، که یک معیار کلیدی برای موادی است که در جذب کربن و جداسازی گاز مورد بررسی قرار می‌گیرند.

این مطالعه ادعا نمی‌کند که این شیشه برای سیستم‌های جذب کربن صنعتی آماده است. این هنوز یک پیشرفت آزمایشگاهی است و چالش‌های تولید عملی همچنان باقی است. نویسندگان خاطرنشان می‌کنند که تولید قطعات بزرگ یکپارچه هنوز دشوار است، تا حدودی به دلیل شرایط پردازش و چسبندگی به بوته‌ها در حین آماده‌سازی. اما این کار یک مسیر طراحی جدید ارائه می‌دهد: اصلاح شیشه، شکل دادن به ساختار آن، سپس تنظیم تخلخل آن از طریق استخراج کنترل‌شده.

چرا این کشف فراتر از شیمی اهمیت دارد؟

این مطالعه یادآوری می‌کند که فناوری‌های باستانی اغلب حاوی اصولی هستند که از نظر علمی همچنان قدرتمند باقی مانده‌اند. شیشه‌گران باستانی، شن، مواد معدنی و ترکیبات فلزی را به اشیاء رنگی، تجاری و دارای جایگاه اجتماعی تبدیل می‌کردند. محققان مدرن اکنون از یک اصل مرتبط برای طراحی موادی با کارکردهایی استفاده می‌کنند که صنعتگران باستانی نمی‌توانستند تصور کنند.

این یک کپی‌برداری ساده از گذشته نیست، بلکه ترجمه‌ای از یک منطق مادی قدیمی به یک زبان شیمیایی جدید است.

برای باستان‌شناسی، این داستان همچنین نحوه‌ی نگاه ما به صنایع دستی باستانی را دقیق‌تر می‌کند. شیشه‌گری هرگز فقط تزئینی نبوده است. این کار نیاز به کنترل گرما، مواد اولیه، رنگ‌ها، مواد مذاب و خنک‌کننده داشته است. انتخاب‌های صنعتگران باستانی ساختار و خواص محصولات آنها را تغییر داده است، حتی اگر علم پشت این تغییرات تنها هزاران سال بعد توضیح داده شود.

برای علم مواد مدرن، این درس کاربردی است. اگر اصلاح‌کننده‌ها به شیشه‌سازان باستانی و سنتی در کنترل شیشه سیلیکاتی کمک می‌کردند، استراتژی‌های مشابه ممکن است به محققان در گسترش دنیای شیشه‌های MOF کمک کند. مطالعه جدید نشان می‌دهد که می‌توان از شیمی اصلاح‌کننده برای تنظیم دمای گذار شیشه، ویسکوزیته، بی‌نظمی ساختاری و تخلخل استفاده کرد.

این می‌تواند راه را برای مواد شیشه‌ای هوشمندی باز کند که نه تنها برای انتقال نور، بلکه برای ذخیره گازها، فیلتر کردن مولکول‌ها، پشتیبانی از واکنش‌های شیمیایی یا عملکرد در سیستم‌های الکترونیکی پیشرفته طراحی شده‌اند.

از این نظر، آینده شیشه ممکن است هنوز هم مدیون اولین شیشه‌سازان جهان باستان باشد. آزمایش‌های آنها با آتش و مواد معدنی به ایجاد یکی از بادوام‌ترین مواد بشریت کمک کرد. امروزه، همان ایده اساسی، که افزودنی‌های کوچک می‌توانند شیشه را تغییر دهند، به دانشمندان کمک می‌کند تا تصور کنند که شیشه در آینده چه چیزی خواهد شد.