Фотохромное стекло

Баев Д.Э., Криводубский О.А.
Донецкий национальный технический университет
azo.cw@yandex.ru, oleg.krivodubski.dn@gmail.com

Введение

Стекло изменяющее свои свойства, звучит необычно, но так ли это на самом деле. На сегодняшний момент ученые со всех уголков мира преисполнены идеей создания чего-то нового, чего-то выдающегося. Зачем? Оставить след в истории или может изобрести «нечто» чтобы облегчить жизнь человека или быть может как-то эту жизнь приукрасить? В данной статье рассмотрим насколько нанотехнологии применимы против обычного, на первый взгляд, стекла; и действительно ли нанотехнологии берут свое начала с 1704 года?

1. Исторические сведения

Фотохромное стекло существует с начала 1960-х годов, благодаря изобретению Уильяма Х. Армистеда и Стэнли Дональда Стуки из Corning Glass Works, США (их описывающий идею патент, озаглавленный «Фототропный материал» был подан 31 июля 1962 года). Ранние фотохромные линзы содержали похожие фотопленке серебряные кристаллы и затемнялись аналогичным ею образом: когда свет попадал на линзу, серебряные кристаллы превращались в микроскопические кусочки серебра.
Хорошо, но что насчет древнеримской диатреты? Кубок Ликурга (см. рис. 1). Произведение древнеримского искусства IV века н.э.! Известен данный образец тем, что он меняет цвет. При прямом освещении он зеленый, а при освещении сзади — красный. Однако «простым» изменением цвета древние римляне не ограничились. Все тот же кубок Ликурга способен изменять цвет стекла исходя от налитой жидкости. При наполнении кубка водой стекло светится голубым оттенком, если кубок наполнить маслом - стекло становится ярко красным. В создании этой диатреты использовались нанотехнологии. В IV веке н.э., все правильно. Ученые выяснили, что в стекло были добавлены частицы серебра и золота шириной в 50 нм.

Также, немаловажную роль в развитие стекольной промышленности наших дней сыграли венецианское и богемское стекло. Немного подробнее о каждом. В XV веке стеклодув Анджело Баровьер опытным путем открыл технологию производства абсолютно прозрачного стекла. Успех был грандиозным: вся Европа восторгалась этим уникальным свойством муранских изделий. На самом деле, идеальная прозрачность стекла — это не только заслуга мастера, многое определяет сырье: известь, сода и песок. От последнего зависит качество будущих изделий, он наделяет стекло прочностью, термической и химической устойчивостью. Сода, в свою очередь, снижает температуру плавления песка. А чтобы ничего не развалилось — добавляется известь. Что делали (очевидно, делают и будут делать) итальянцы: они заменяли соду золой водорослей. Таким образом, стекло получалось мягким, очень хорошо поддавалось обработке и главное — обладало высокой степенью прозрачности.

Существует еще один заменитель соды — поташ — пепел древесных пород. Это уже про немецкое, богемское (чешское), французское и российское стекло, твердое и блестящее. На таких предметах очень легко сделать гравировку, что и было распространено в качестве украшения самих изделий. Чехов хрупкость венецианского стекла не устроила. В Богемии захотели гранить материал, узрев в его прозрачности сходство с алмазом и горным хрусталем. Итальянское стекло крошилось при срезах, шлифовке. Тогда, мастера Чехии поменяли рецептуру материала. С тех пор богемское стекло затмило венецианское и крепостью, и блеском, и славой.

2. От прошлого к настоящему. Фотохромизм.

Фотохромное стекло меняет цвет под воздействием света. Это относится к диапазону ультрафиолетового излучения и коротковолновой полосе пропускания видимого света. Наиболее известным продуктом этого типа является стекло, используемое в очках (см. рис. 4), которое автоматически темнеет до коричневого или серого цвета при воздействии солнца.

Первые фотохромные линзы появились на оптическом рынке в середине 60х годов, и уже в 1970 году компания Carl Zeiss выпустила свои первые фотохромные линзы под названием Umbramatic. Последующие двадцать лет учёные неустанно искали возможность создания фотохромных линз из пластика с эффектом фотохромности приближенному к эффекту фотохромных линз из стекла. Такая возможность появилась относительно недавно: в 1995 году компания Carl Zeiss представила свои первые фотохромные линзы из пластика Photolet Transitions Eurobrown. В след за этим появились линзы следующего поколения — Clarlet Transitions Brown и Clarlet Transitions Grey.

3. От настоящего к будущему. Умные стекла.

Умное стекло — Композит из слоев стекла и различных химических материалов, используемый в архитектуре и производстве для изготовления светопрозрачных конструкций, изменяющий свои оптические свойства при изменении внешних условий, например, освещённости, температуры или при подаче электрического напряжения.

Различные типы стекольных композитов основаны на фотохимических явлениях, связанных с изменением пропускающих свойств при изменении внешних условий: изменение светового потока (фотохромизм), температуры (термохромизм), электрического напряжения (электрохромизм). В качестве преимущества можно считать, что смарт-стекло позволяет уменьшить потери тепла, сократить расходы на кондиционирование и освещение; служит альтернативой жалюзи и механическим затеняющим экранам, шторам. В прозрачном состоянии жидкокристаллическое или электрохимическое смарт-стекло не пропускает ультрафиолетовое излучение; смарт-стекло на взвешенных частицах требует для блокировки ультрафиолета использование специальных покрытий.
Основные недостатки смарт-стекла — это относительно высокая стоимость, необходимость использования электрического напряжения, скорость переключения между состояниями (в частности, электрохромное стекло), опалесценция (замутнение) или меньшая прозрачность по сравнению с обычным стеклом. Следует отметить, что смарт-стекло последнего поколения по сравнению с предшествующими имеет более низкий уровень опалесценции и может управляться безопасным низковольтным питанием от 12 до 36 Вольт.
Каково практическое применение умных стекол? Как ни странно, но смарт-стекло служит экраном для рекламных инсталляций, в качестве «забора» — т.е. ограничителя музейного пространства: смотреть можно, приблизиться не выйдет. Также такой поистине интересной вещи нашли одно довольно забавное применение, а именно: огромный стеклянный куб, способный выезжать из здания жилой башни на высоте 88 этажа; вмещает в себя 13 человек, и когда он выступает на 3 м, стекло становится прозрачным, предоставляя возможность посетителям обзор Мельбурна с высоты 275 м.
Однако основным использованием смарт-стекол, все-таки являются более ожидаемые случаи — внутренние перегородки и двери, которые многие компании используют для организации конфиденциальных комнат переговоров. В обычном состоянии такие помещения являются частью внутреннего пространства офиса, но при необходимости служат приватным помещением. Такую же функцию выполняет смарт-стекло в госпиталях для организации комнат осмотра пациентов. Также умное стекло используется в кассовых зонах банков, в зонах отдыха и примерочных в магазинах.

4. Немного об искусственных камнях

«Кристаллы Сваровски — мечта каждой любительницы украшений». Чудное заявление, чем же так ценятся эти камни на рынке бижутерии, если к натуральным минералам кристаллы не имеют никакого отношения, ведь выращены искусственно.
Каждый экземпляр обладает следующими свойствами:

• равномерное тончайшее зеркальное покрытие;
• идеальная огранка (14 граней с чередованием толщины);
• высокий показатель преломления света (камень имеет особый блеск).

Самым интересным моментом, с точки зрения нанотехнологий, является как раз последний пункт перечисления свойств кристаллов. Однако способ изготовления продукции компания держит в строжайшем секрете. Известен только тот факт, что в процессе производства компания использует специальное покрытие. С его помощью на помощью на поверхности изделий достигается невероятной красоты переливы, легкая дымчатость или определенный оттенок.

Вопрос построения защитного экрана на основании умных стекол

Инцидент, произошедший в середине ноября 2021 года, связанный с хищением 10 тонн норвежского оптоволоконного кабеля с глубины 2.5 км2 заставляет невольно задуматься о безопасности данных, передаваемых по таким кабелям. Если получилось физически отрезать определенной длины кабель, то и осуществить сниффинг (перехват информации, передающейся от узла к узлу) сетевого трафика или любых других передаваемых данных вопрос лишь времени. Как защититься от внешнего вмешательства? Сможет ли технология фотохромизма защитить от атак извне? Рассмотрим данный вопрос немного детальнее. В основе умных стекол лежит поляризация частиц (LCD - полимерные жидко-кристаллические устройства, SPD - устройства со взвешенными частицами, ECD - электрохромные устройства). Однако рассуждать на тему «какое из устройств поставить во главе, чтобы получить интересующий эффект» не имеет смысла. Причиной тому является следующе: приминение полимерной жидкокристаллической пленки изменяет проходимость световых лучей не существенно. На этой особенности у создателей и был сделан акцент. «Все, можно закрывать тему пригодности таких технологий в качестве экранов?». Отнюдь. Рассмотрим второй вариант. В качестве защитного экрана можно применять свойства зеркала Гезелла — стекло, выглядящее как зеркало с одной стороны и как затемнённое стекло – с противоположной. Полупрозрачное зеркало в действительности представляют собой стёкла, покрытые тонким слоем металла — так, что часть падающего на поверхность зеркала света отражается, а часть проходит насквозь. При этом насквозь свет проходит в обоих направлениях. Если таким стеклом отгородить хорошо освещённое помещение от слабо освещённого, то со стороны светлого помещения оно будет казаться зеркалом, а с другой стороны оно будет выглядеть затемнённым окном. Это объясняется тем, что со стороны освещённого помещения отражение будет маскировать свет, проходящий сквозь стекло из тёмного помещения. А со стороны тёмного помещения картина будет обратная: проходящий сквозь стекло свет будет более интенсивным, чем отражённый. Получается, что для норвежского оптоволоконного кабеля на глубине 2.5 км2 канал, внутри кабеля будет выступать в качестве светлой комнаты, а океан снаружи - темной.

Выводы

Приятно видеть, что прогресс в искусстве движется семимильными шагами, но отчего-то мне кажется, что ученые забыли разобраться в вопросе присутствия нанотехнологий в далеком и не очень прошлом. О предназначении того же кубка Ликурга довольно долго спорили, но к единому решению так и не прешли. Исходя из формы диатреты, многие считают ее сосудом для питья, а учитывая тот факт, что цвет кубка также меняется и в зависимости от налитой жидкости, можно утверждать, что его использовали для определения качества вина или выяснения, не подсыпан ли в напиток яд. Другая версия, относительно использование диатреты основывается на интересной кромке внутри сосуда и бронзовому кольцу, свидетельствующем в пользу того, что кубок также могли использовать в качестве светильников.
После того как разобрались с вопросом «Из чего сделано?» следовало бы разобраться и с вопросами «Для чего сделано?» и «Как сделано?». Если бы ученые получили бы ответ на какой-то из этих вопросов, возможно людям не пришлось бы ждать так долго до того момента как изобретут «полупрозрачные» общественные уборные или сомнительной прочности обзорные «кубы».

Литература

1. Оптика КМ. Всё о фотохромных линзах. https://km-optika.ru/stati/34-o-fotokhromnykh-linzakh
2. Годова В., Мухурова В., Курилова А., Краснова А., Якуцевич А. Почему венецианское стекло так популярно? //Италия для меня. 2020. с. 7-12. https://zen.yandex.ru/media/italy4.me/pochemu-venecianskoe-steklo-tak-populiarno-5f520a934330f118aacde9d0
3. Степанов А. Богемское стекло. Свойства, виды, применение и цена богемского стекла. //Портал об искусстве Твой ювелир. 2017. с. 9-15. https://zen.yandex.ru/media/italy4.me/pochemu-venecianskoe-steklo-tak-populiarno-5f520a934330f118aacde9d0
4. Умное стекло. Wikipedia. Свободная энциклопедия. https://en.wikipedia.org/wiki/Smart_glass
5. Мой камень. Описание кристаллов Сваровски: что это такое, из чего их делают, в чем ценность этих камней? https://moykamen.com/vidy/iskusstvennye/kristally-svarovski.html#i