Российские ученые из Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого (СПбПУ), работая в составе научного коллектива, достигли значительного прогресса в разработке более экономичного и быстрого метода производства так называемого «умного» стекла. Этот инновационный материал критически важен для создания передовых энергосберегающих окон, а также для будущих высокопроизводительных оптических компьютеров. Подробные результаты их исследования были опубликованы в престижном научном журнале Materials Letters.
Современные композитные материалы, созданные путем объединения двух и более различных компонентов для достижения уникальных и улучшенных свойств, сегодня широко востребованы в самых разных отраслях промышленности. Например, силикатное стекло, обогащенное наночастицами серебра, находит перспективное применение в разработке фотонных компьютеров нового поколения, которые, как ожидается, смогут работать во много раз быстрее существующих вычислительных систем. Помимо этого, «умное» стекло является ключевым элементом для создания высокоэффективного энергосберегающего остекления и служит основой для платформ биосенсоров.
До настоящего времени производство такого специализированного стекла было сопряжено с высокими временными, энергетическими и ресурсными затратами, что существенно ограничивало его широкое распространение, о чем сообщили представители СПбПУ.
Однако группа ученых этого университета разработала инновационную технологию, которая, по их утверждениям, значительно ускоряет и удешевляет процесс синтеза этих высокотехнологичных материалов. Ключевое отличие нового подхода от традиционных аналогов — это полный отказ от продолжительной термообработки, которая является одним из наиболее дорогостоящих и ресурсоемких этапов в классическом производстве.
Суть предложенного метода заключается в облучении материала электронами с относительно малой энергией, но при этом с большой плотностью тока. Такой новаторский подход позволяет сформировать необходимую конфигурацию наночастиц всего за одну минуту, полностью исключая потребность в последующем отжиге, что ранее занимало значительное время.
Дарья Соколова, ассистент Высшей инженерно-физической школы СПбПУ, пояснила: «Обычные методы подразумевают, что после введения серебра в стекло требуется длительный нагрев при температурах 550–600 °C, чтобы частицы серебра слиплись и образовали функциональные наночастицы. Наш подход позволяет полностью исключить эту стадию, что приводит к экономии до 30% от общей стоимости производства«.
Она также добавила, что внедрение этой новой технологии обеспечивает существенную экономию затрат за счет сокращения человеко-часов, уменьшения расходов на дорогостоящее оборудование и потребляемую электроэнергию. Новый способ также демонстрирует значительное сокращение времени синтеза — с нескольких часов до невероятных 60 секунд, что является огромным преимуществом по сравнению с альтернативными методами, такими как лазерная абляция или ионный обмен, которые также требуют длительного отжига.
Эффективность и жизнеспособность нового метода были тщательно апробированы в ходе серии лабораторных экспериментов. Ученым удалось убедительно показать, что, используя малые энергии и варьируя другие параметры электронного пучка, можно точно управлять свойствами получаемого материала, фактически «проектируя» частицы и наночастицы под конкретные практические задачи и требования.
В настоящее время перед учеными стоит амбициозная задача по дальнейшему повышению эффективности производства композитов нового поколения, в частности, систем «силикатное стекло – металлические наночастицы». Планируется провести дополнительные исследования различных конфигураций систем и оптимизировать методы для их успешного внедрения в массовое промышленное производство.
Важно отметить, что в работе над данным инновационным проектом также активно участвовали высококвалифицированные специалисты из Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова и Физико-технического института имени А.Ф. Иоффе, что подчеркивает междисциплинарный характер и значимость исследования.
