נחיצות הננוטכנולוגיה

חוזק/קשיחות של חומר, הוא מדד למידת יכולתו לספוג אנרגיה או להתעוות, מבלי להישבר. למרות שזכוכית מחוזקת כיום בטיפולים שטחיים כגון ציפויים כימיים, השבריריות הכללית של הזכוכית הבסיסית עצמה נותרה עניין שצריך לטפל בו ביתר דיוק כירורגי.

ההכרח, לפיכך, הוא ליצור מערכות זכוכית שבהן, פונקציונליות רצויה (רב) אינה מוגבלת לציפוי פני השטח שניתן לשרוט או להסתלק עם הזמן בחשיפה לאלמנטים, אלא, מוצר הזכוכית נושא את התכונות הפונקציונליות. כחלק בלתי נפרד מקומפוזיט הזכוכית.

כדי להשיג זאת תוך חיזוק מערכת הזכוכית מפני שבר, ננו-חומרים אולטרה-דקים בשלב קוונטי (כלומר מתחת ל-20 ננומטר) הם שימושיים למדי שכן ניתן לשלב אותם במינונים זעירים, תוך אספקת הפונקציונליות הדרושה בספקטרום רחב של תנאים תפעוליים.

ננו-קרמיקה מזכוכית

בהתאם לגודל הגבישים ביחס לאורך הגל של האור, ניתן לעצב קרמיקה מזכוכית להיות שקופה (למשל, עם גבישים בקנה מידה ננו) או אטומה (למשל, עם גבישים בקנה מידה מיקרו).

כשמדובר בחיזוק מערכת חומרית כלשהי, יש לחפש בטבע רמזים עיצוביים חיוניים.

הטבע תמיד מבקש להוריד את האנרגיה הדרושה לכל תגובה או אירוע נתון להתרחש. עם זאת בחשבון, אפשר לשחק על האפקט הזה, להקשות על תהליך נתון להתחיל ולהתפשט. בזכוכית, זה יהיה היווצרות סדקים והתפשטות. כאשר עומס מופעל על חומר, הוא מעניק כמות גדולה של אנרגיה על החומר, ויוצר מצב בו החומר צריך כעת להגיב לאנרגיה זו. מעבר לגבול האלסטי, חומר שביר כגון זכוכית או קרמיקה יפזר בדרך כלל אנרגיה זו באמצעות היווצרות משטחים חדשים, למשל. דרך היווצרות סדקים.

זכוכית-ננו-קרמיקה מציעה מגוון רב-תכליתי של תכונות מועילות כדי לשפר את קשיחות הזכוכית השבר. הנוכחות הפיזית של ננו-גבישים אולטרה-עדינים ומפוזרים היטב משמשים כאסור להתפשטות סדקים. זה קורה מכיוון שבכל פעם שסדק מתפשט נתקל בממשק ננו-גביש, הסדק חייב לשנות את כיוון ההתפשטות שלו כדי לנוע סביב הננו-גביש או ליזום סדק חדש דרך שלב הגביש עצמו.

עם זאת, כאשר הננו-גביש קטן מספיק אפילו כדי להגביל את היווצרותו של גבול גרגר בתוך סריג הגביש שלו, ההסתברות לאתר תקלה מוגבלת פי כמה. תסכול כזה לתהליך הטבעי של הדברים יוצר מחסום אנרגטי עצום כל כך, שהיווצרות נתיב להתפשטות הסדקים, מובילה לתרחיש לא חיובי מבחינה אנרגטית ושבר מוגבל או אסור לחלוטין.

חוזק גבוה בפחות משקל

כדי שההתפשטות של סדק תהיה מוגבלת באופן משמעותי סביב ובתוך גביש ננו-קרמי החדור בזכוכית (זכוכית-ננו-קרמית), יסודות אלה חיוניים:

פיזור אחיד וצפוף של הגבישים הננו-קרמיים בתוך מטריצת הזכוכית הוא חיוני

הגבישים הננו-קרמיים צריכים להיות הרבה מתחת ל-20 ננומטר בממדים, כדי למזער או למנוע היווצרות גבול גרגר בתוך עצמו

הרכב הגבישים הננו-קרמיים צריך להעניק פונקציונליות רב-תכליתית, למשל. תכונות כימיות, אופטיות, חשמליות לזכוכית שעוזרות לה להשיג ולשמור על עמידות

אתגר מרכזי שנתקל בו במהלך הכנת ננו-מרוכבים מטריצת זכוכית-ננו-קרמית, הוא היכולת להשיג פיזור הומוגני של ננו-גבישים, בתוכם. צבירה של גושים בגודל מיקרומטר של ננו-חלקיקים גדולים במיוחד (לעתים קרובות בגודל של יותר מ-30 ננומטר) המשמשים בעומסים כבדים נוטים ליצור השפעות שליליות על התכונות התרמיות והמכניות של הזכוכית, מכיוון שמספר קטן יותר של חלקיקי חיזוק קיימים באזורים אחרים. אגרגטים עשויים לשמש כמרכזי פגמים, שיכולים לפעול כיוזמי סדקים המובילים לכשל מבני של חומר הזכוכית.

בקרת גודל חלקיקים ננו-קרמית חשובה

על ידי הפחתת גודל החלקיקים הננו-קרמיים הרבה מתחת ל-20 ננומטר, ניתן להשפיע על מספר הנקעים שנערמו בגבול התבואה ולשפר את חוזק התפוקה של ננו-קרמי, כלומר המתח המרבי שהגביש הננו-קרמי סובל לפני תחילת העיוות.

מחלקים כמות משמעותית של אלה בתוך מטריצת זכוכית ומקבלים צפיפות גבוהה של אתרי חיזוק, בתוך מטריצת זכוכית. זה קל עם חלקיקים ננו-קרמיים עדינים במיוחד מכיוון שהמספר הממוצע שלהם הנמצא ביחידת נפח של חומר גדל באופן אקספוננציאלי, ככל שגודל החלקיקים מצטמצם. לְמָשָׁל ניתן להחליף חלקיק קרמי בגודל 1 אום בכאלף חלקיקים ננו-קרמיים בגודל 1 ננומטר. זה מרמז שעם פחות נפח ומסה, ניתן להשיג פיזור צפיפות גבוה יותר של חלקיקים ננו-קרמיים בתוך מטריצת זכוכית, במינון נמוך משמעותית מזה שמתקבל עם חלקיקים מיקרוניים או אפילו גדולים יותר (> 20 ננומטר).

זכוכית מחוסמת ננו כימית

שבר זכוכית מקורו בהכרח בקנה מידה ננו (כלומר שבירת הקשר). טמפרור כימי היא שיטה יעילה מאוד לשיפור החוזק באמצעות שילוב של מתח לחיצה גבוה במשטחי הזכוכית. ניתן להשיג עיצוב אופטימיזציה טופולוגית של זכוכית ברמת ננו-סקאלה, באמצעות גבישים ננו-קרמיים בהרכב משתנה, בשילוב עם יתרונות מימד הגביש הננו-קרמי, כדי לאפשר פיזור אנרגיה המופעלת על משטח זכוכית באמצעות ציפוף מקומי סביב להיכנס, ולא דרך היווצרות סדק בתוך הזכוכית עצמה.

עם מומחיות ליבה בתכנון וייצור של גבישים ננו-קרמיים בגודל של מתחת ל-20 ננומטר, NANOARC ממוקמת היטב לעזור לתעשיית הזכוכית לדחוף את המעטפת של ביצועי זכוכית במונחים של עמידות כימית ומבנית. בהיותנו בעסק של ננו-פולימורפיזם כחלק מתהליך עיצוב הננו-חומר שלנו, אנו מאפשרים ליצרנים לאמץ את המוצרים שלנו בצורה חלקה, ללא חששות של תאימות כימית.

QG-M

עמידות בחום: עד 2852°C (5166°F)

צבע: אבקת ננו לבנה

שטח פני השטח (BET): 35930 מ"ר/ק"ג

אינדקס שבירה: 1.71

מינון: 0.005 - 0.007% משקל של תערובת זכוכית (או לפי הצורך עבור יישומים ייעודיים)

יישומים: מסייע בהורדת טמפרטורת ההתגבשות ומקל על המרת הפאזה מ-β-קוורץ ל-β-spodumene בקרמיקת זכוכית ליתיום-אלומוסיליקט. אנטי-פתוגן יעיל נגד חיידקים, שמרים וביופילם.

QG-C

ננוארכיטקטורה: ננו-חלקיקים כדוריים חלולים (קוטר <25 ננומטר)

שטח פני השטח (BET): 38800 מ"ר/ק"ג

צבע: אבקת ננו-לבנה

אינדקס שבירה: 1.59

עמידות בחום: עד 1339°C (2442°F)

מינון: 0.003 - 0.005% משקל של תערובת זכוכית (או לפי הצורך עבור יישומים ייעודיים)

יישומים: 

מייצב, ננו-מילוי, חוזק כיפוף, קשיחות שבר, עמיד בפני התפשטות מיקרו-סדקים, עוזר לשפר את החוזק המכני והכימי של גוף הזכוכית, להפחית כיווץ כתוצאה משריפה.

QG-I FlEX

ננוארכיטקטורה: יריעות/פתיתים דקים מבחינה אטומית (עובי < 1 ננומטר)

שטח פני השטח (BET): 63520 מ"ר/ק"ג

צבע: ננו-אבקת ננו בהירה

אינדקס שבירה: 2.029

עמידות בחום: עד 1975°C (3587°F)

מינון: 0.001 - 0.003% משקל של תערובת זכוכית (או לפי הצורך עבור יישומים ייעודיים)

יישומים: סינון UV משופר, אנטיבקטריאלי, אנטי פופולינג, אנטי קורוזיה, מזעור נקבוביות, התרחבות תרמית נמוכה וניהול חוזק מכני (דחיסה וכפוף) משופר, ננו-מילוי חריצים.

QG-THERM

ננוארכיטקטורה: יריעות/פתיתים דקים מבחינה אטומית (עובי < 1 ננומטר)

שטח פני השטח (BET): 49550 מ"ר/ק"ג

עמידות בחום: עד 1597 מעלות צלזיוס (2907 מעלות פרנהייט)

צבע: ננופודר שחור/שחור-חום

אינדקס שבירה: 2.42

מינון: לפי הצורך עבור יישומים ייעודיים

יישומים: הובלת חום יעילה, מיגון קרינת גמא, ספיגת ארסרניק, מתכות כבדות ושאריות אנטיביוטיקה.