Ученые Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого (СПбПУ) в сотрудничестве с другими научными коллективами достигли значительного прорыва в удешевлении и ускорении производства так называемого «умного» стекла. Это достижение, опубликованное в журнале Materials Letters, открывает новые горизонты для создания высокоэффективных энергосберегающих окон и перспективных оптических компьютеров.
Современная промышленность активно использует композитные материалы — вещества, созданные из двух или более компонентов для получения уникальных свойств. Силикатное стекло, модифицированное серебряными наночастицами, является ключевым компонентом для фотонных компьютеров будущего, которые обещают во много раз превзойти скорость традиционных электронных систем. Кроме того, «умное» стекло находит широкое применение в производстве энергоэффективного остекления и в качестве основы для биосенсоров.
Ранее существующие методы получения такого высокотехнологичного стекла были связаны со значительными временными, энергетическими и ресурсными затратами. Однако научная группа СПбПУ разработала инновационную технологию, которая позволяет существенно сократить эти издержки. Главное отличие нового подхода заключается в исключении одного из самых затратных этапов — длительной термообработки.
Предложенная методика основывается на облучении материала электронами с низкой энергией, но высокой плотностью тока. Это позволяет сформировать требуемую конфигурацию наночастиц всего за одну минуту, полностью обходя необходимость последующего отжига, что значительно упрощает и ускоряет процесс.
Дарья Соколова, ассистент Высшей инженерно-физической школы СПбПУ, отметила: «Обычные способы производства требуют длительного нагрева стекла до 550–600 °C после введения серебра, чтобы частицы слиплись в функциональные наночастицы. Наш подход полностью исключает эту стадию, обеспечивая экономию до 30% от общей стоимости производства.»
Внедрение новой технологии не только обеспечивает финансовую выгоду, но и сокращает потребление человеко-часов, расходы на оборудование и электроэнергию. Сравнение с альтернативными методами, такими как лазерная абляция или ионный обмен, показывает, что новый способ сокращает время синтеза с нескольких часов до рекордных 60 секунд, при этом не требуя дополнительного отжига.
Эффективность разработанного метода была убедительно продемонстрирована в ходе серии экспериментальных исследований. Ученые установили, что, варьируя параметры электронного пучка при малых энергиях, можно целенаправленно управлять свойствами получаемого материала, что позволяет «проектировать» частицы и наночастицы под конкретные практические задачи.
На текущем этапе перед исследователями стоит задача дальнейшего повышения эффективности производства композитов нового поколения, в основе которых лежит система «силикатное стекло – металлические наночастицы». Планируются дополнительные исследования различных конфигураций систем и методов для их успешного внедрения в массовое производство.
В работе над этим проектом также принимали участие высококвалифицированные специалисты из Московского государственного университета (МГУ) и Физико-технического института имени А.Ф. Иоффе.
