Een van de meest direct herkenbare kenmerken van glas is de manier waarop het licht reflecteert. Maar een nieuwe manier om oppervlaktestructuren op glas te creëren, ontwikkeld door onderzoekers van MIT, elimineert vrijwel reflecties, het produceren van glas dat bijna onherkenbaar is vanwege de afwezigheid van schittering - en waarvan het oppervlak ervoor zorgt dat waterdruppels er meteen weer afkaatsen, als kleine rubberen balletjes.

Het nieuwe “multifunctionele” glas, gebaseerd op oppervlaktenanotexturen die een reeks conische kenmerken produceren, is zelfreinigend en bestand tegen beslaan en verblinding, zeggen de onderzoekers. uiteindelijk, ze hopen dat het kan worden gemaakt met behulp van een goedkoop productieproces dat kan worden toegepast op optische apparaten, de schermen van smartphones en televisies, zonnepanelen, autoruiten en zelfs ramen in gebouwen.

De technologie wordt beschreven in een paper gepubliceerd in het tijdschrift ACS Nano , co-auteur van afgestudeerde werktuigbouwkundestudenten Kyoo-Chul Park en Hyungryul Choi, voormalig postdoc Chih-Hao Chang SM ’04, PhD '08 (nu aan de North Carolina State University), hoogleraar scheikundige technologie Robert Cohen, en professoren werktuigbouwkunde Gareth McKinley en George Barbastathis.

Fotovoltaïsche panelen, Park legt uit, kunnen binnen zes maanden maar liefst 40 procent van hun efficiëntie verliezen als stof en vuil zich ophopen op hun oppervlakken. Maar een zonnepaneel beschermd door het nieuwe zelfreinigende glas, hij zegt, zou veel minder problemen hebben. In aanvulling, het paneel zou efficiënter zijn omdat er meer licht door het oppervlak zou worden doorgelaten, in plaats van weggereflecteerd te worden - vooral wanneer de zonnestralen onder een scherpe hoek ten opzichte van het paneel staan. Op zulke momenten, zoals vroege ochtenden en late namiddagen, conventioneel glas kan meer dan 50 procent van het licht weerkaatsen, terwijl een antireflectieoppervlak de reflectie tot een verwaarloosbaar niveau zou verminderen.

Terwijl in eerder werk zonnepanelen zijn behandeld met hydrofobe coatings, de nieuwe multifunctionele oppervlakken die door het MIT-team zijn gemaakt, zijn nog effectiever in het afstoten van water, de panelen langer schoon houden, zeggen de onderzoekers. In aanvulling, bestaande hydrofobe coatings voorkomen geen reflectieverliezen, wat het nieuwe systeem nog een ander voordeel geeft.

Andere toepassingen zijn onder meer optische apparaten zoals microscopen en camera's voor gebruik in vochtige omgevingen, waar zowel de antireflectie- als de anticondensfunctie nuttig kunnen zijn. Bij apparaten met aanraakscherm het glas zou niet alleen reflecties elimineren, maar zou ook bestand zijn tegen besmetting door zweet.

uiteindelijk, als de kosten van dergelijk glas voldoende kunnen worden verlaagd, zelfs autoruiten zouden kunnen profiteren, Choi zegt, zichzelf reinigen van vuil en gruis op het buitenoppervlak van de ramen, het elimineren van schittering en reflecties die het zicht kunnen belemmeren, en het voorkomen van beslaan op het binnenoppervlak.

Het oppervlaktepatroon - bestaande uit een reeks kegels op nanoschaal die vijf keer zo hoog zijn als hun basisbreedte van 200 nanometer - is gebaseerd op een nieuwe fabricagebenadering die het MIT-team heeft ontwikkeld met behulp van coating- en etstechnieken die zijn aangepast aan de halfgeleiderindustrie. Fabricage begint met het coaten van een glazen oppervlak met verschillende dunne lagen, inclusief een fotoresistlaag, die vervolgens wordt verlicht met een rasterpatroon en weggeëtst; opeenvolgende etsen produceren de conische vormen. Het team heeft al patent aangevraagd op het proces.

Omdat het de vorm van het oppervlak met nanotextuur is - in plaats van een bepaalde methode om die vorm te bereiken - die voor de unieke kenmerken zorgt, Park en Choi zeggen dat in de toekomst glas- of transparante polymeerfilms kunnen worden vervaardigd met dergelijke oppervlaktekenmerken door ze eenvoudigweg door een paar getextureerde rollen te leiden terwijl ze nog gedeeltelijk gesmolten zijn; een dergelijk proces zou de fabricagekosten minimaal verhogen.

De onderzoekers zeggen dat ze hun inspiratie haalden uit de natuur, waar getextureerde oppervlakken, variërend van lotusbladeren tot schilden van woestijnkevers en mottenogen, zich hebben ontwikkeld op manieren die vaak meerdere doelen tegelijk vervullen. Hoewel de reeksen puntige nanokegels op het oppervlak fragiel lijken als ze microscopisch worden bekeken, de onderzoekers zeggen dat hun berekeningen laten zien dat ze bestand moeten zijn tegen een breed scala aan krachten, variërend van inslag door regendruppels in een stevige regenbui of door de wind aangedreven stuifmeel en gruis tot direct prikken met een vinger. Verdere tests zullen nodig zijn om aan te tonen hoe goed de nanogestructureerde oppervlakken in praktische toepassingen in de loop van de tijd standhouden.

Andrew Parker, een senior visiting research fellow aan het Green Templeton College van de Universiteit van Oxford in het Verenigd Koninkrijk, die niet bij dit werk betrokken was, zegt, “Multifunctionele oppervlakken bij dieren en planten komen veel voor. Voor de eerste keer, voor zover ik weet, deze paper leert een les in productie-efficiëntie uit de natuur door een geoptimaliseerd antireflecterend en anticondensapparaat te maken. Zo werkt de natuur, en is misschien wel de toekomst van een groenere techniek waar twee constructies, en twee productieprocessen, worden vervangen door één.”

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.