Stötbeständigt glas är på väg att revolutionera marknaden

Slagtåligt glas kan bli nästa stora steg inom säkerhet, elektronik, byggande och andra områden. Ett forskarlag lett av ingenjörer vid Tohoku-universitetet har presenterat en studie om en metod för att göra glas slagtåligt. Materialet fungerar på molekylnivå för att bättre motstå splittring. Här är vad du behöver veta om slagtåligt glas och dess möjligheter att förändra flera branscher.

Hur glas går sönder

För att förstå forskningens betydelse behöver man förstå hur vanligt glas går sönder. Oftast tänker vi på en stöt: ett hårt eller snabbt föremål träffar glaset och får det att spricka i svagare delar. Detta är den vanligaste brottypen och en av de farligaste, eftersom vassa glasskärvor kan spridas över ett stort område.

Termisk belastning

En annan orsak är temperaturskillnader. Glas måste tillverkas på ett särskilt sätt för att hantera värmepåverkan. Annars kan det värmas upp och till och med smälta under vissa förhållanden, som när en rymdfarkost återinträder i atmosfären.

Värmerelaterade brott kan också uppstå när beläggningar samlas på ytan och leder till ojämn uppvärmning. Om bara en del av glaset värms eller fryses kan det deformeras och till slut splittras.

Böjning

Brott genom böjning och vridning är vanligare inom byggandet. Byggare måste ta hänsyn till hur konstruktioner rör sig i vind och vid olika väderförhållanden och temperaturer. Ett felmonterat eller felkonstruerat fönster kan plötsligt spricka när en byggnad vrids under en kraftig storm eller jordbävning.

Den interna tillverkningsprocessen

Glas kan också gå sönder på grund av fel i tillverkningen. Det finns många glastyper, var och en med en särskild sammansättning. Om en glasruta blandas fel under tillverkningen kan inre spänningar uppstå och försvaga materialet under vissa förhållanden.

Denna brottyp har blivit vanligare när mer komplicerade laminerade och härdade glas utvecklas. Ibland blir en del av glaset svag på grund av den kemiska sammansättningen snarare än yttre krafter. Detta är vanligt vid värmepåverkan.

Olika glas går sönder på olika sätt

Forskare har länge förstått vikten av att anpassa glas till den miljö där det ska användas. Därför finns nu många glastyper för olika uppgifter.

Avspänningsglödgat glas

Avspänningsglödgat glas är den vanligaste typen. Det har använts längst och går sönder i stora, vassa och ojämna bitar. Användningen har minskat när säkrare alternativ kommit, men det är fortfarande enklast och billigast att producera och den mest tillverkade glastypen.

Härdat glas

Härdat glas är en särskild glastyp som går sönder i mindre bitar. Det anses säkrare än traditionellt glas, vars skärvor kan fungera som flygande knivar. Mindre bitar innebär lägre risk för allvarliga skärsår.

Laminerat glas

Laminerat glas tar säkerhetstanken ett steg längre. Det består av flera glaslager med tunn genomskinlig plast emellan. Plasten håller samman glasskärvorna och hindrar stora bitar från att kastas in i ett fordon eller rum.

En ny förståelse av glas

Forskare har i århundraden undersökt hur glas kan göras hållbarare och hur skador från splittring kan minskas. Tills nyligen handlade studierna främst om kemi och materialvetenskap. Den nya studien undersöker för första gången glasbrott på djup molekylnivå.

Forskarna ville förstå vad som händer när glasets molekyler skiljs åt. Fram till nyligen saknades optik och utrustning för en sådan studie. De behövde kunna följa molekylernas rörelser på en tidsskala av nanosekunder.

Studie om slagtåligt glas

Forskningsartikeln¹, publicerad i Acta Materialia, undersöker Johari–Goldstein-processen (JG) på atomnivå. Processen beskrevs 1969 för att förklara molekylbeteendet i glasartade material under vissa förhållanden. Ursprungligen användes den för att förklara hur glas smälter, men har sedan använts för många tillståndsförändringar.

Forskarna kombinerade teorin med en specialbyggd datormodell och övervakning av atomer på molekylnivå för att fastställa vad som händer när glas går sönder. De fann att atomerna hoppar till nya positioner under trycket från en stöt eller belastning.

Källa – Makina Saito

Omgivande atomer rör sig sedan in i det nyöppnade utrymmet, fyller tomrummet och avlastar delar av spänningen i de oskadade delarna. Gruppen kunde upptäcka atomrörelser i den kvasisfäriska joniska modellglasbildaren Ca0.4K0.6(NO3).

Modellering av atomrörelser

Datorsimuleringen gjorde det möjligt att pröva många faktorer. Forskarna kunde justera böjning, temperatur och stötkraft. Modellerna gav tillförlitliga resultat och ökade förståelsen för varför glas går sönder som det gör.

Test av slagtåligt glas

Teorin testades genom att följa atomrörelser med röntgeninterferometri i tidsdomänen. Metoden möjliggjorde observationer på nanosekundnivå och insamling av data från olika experiment med synkrotronstrålning.

Datorsimuleringar av slagtåligt glas

En särskild del av forskningen var datorsimuleringarna. Gruppen använde data från strålningsexperimenten för att skapa en simulering. Simulering av molekyldynamik (MD) gav mer omfattande tester samtidigt som forskningskostnaderna hölls nere.

Resultat för slagtåligt glas

Resultaten var uppseendeväckande. Merparten av glaspartiklarna uppvisade rörelser på ångströmskala under nanosekunder. Forskarna kunde därmed avgöra hur atomernas hopp och kollektiva rörelser kan förbättras för att skapa tåligare material. Informationen kan i framtiden användas för att stärka glas på molekylnivå vid böjpunkter och förhindra katastrofala brott.

Fördelar med slagtåligt glas

Studien ger glasindustrin många fördelar. Framför allt kan säkerheten förbättras inom flera områden. Säkerhetsglas, fordonsrutor, övervakningsstationer, verktyg och elektronik kan få tåligare och säkrare glasalternativ.

Forskningen kan också göra det möjligt att skapa glas som går sönder i bestämda mönster. Kontrollerade brott kan minska farlig splittring när spänning måste frigöras vid ett visst tryck. Tänk på hur kex bryts längs perforerade linjer.

Tekniken används redan i andra byggmaterial. Trottoarer har exempelvis särskilda linjer där betongen ska spricka när markrörelsernas tryck når en kritisk nivå. Ingenjörer kan därmed förutse brotten och placera dem ordnat. Samma princip kan förbättra säkerheten hos glaskonstruktioner.

Nya standarder för slagtåligt glas

En annan viktig fördel är gruppens mål att skapa nya säkerhetsstandarder. Härdat och laminerat glas har redan gjort livet säkrare för miljoner människor. Gemensamma riktlinjer för glas med bättre slagtålighet skulle kunna förbättra säkerheten inom tusentals branscher och ge tillverkare möjlighet att skapa bättre produkter med högre säkerhetskrav.

Forskarna bakom slagtåligt glas

Studien leddes av professor Makina Saito och forskare vid Tohoku-universitetet. Även Kyoto-universitetet, Shimane-universitetet, National Institute for Materials Science och Japan Synchrotron Radiation Research Institute deltog. Grupperna vill nu gå vidare mot ännu tåligare glas.

Tillämpningar

Slagtåligt glas kan få många tillämpningar, exempelvis hållbarare elektronik. Den som har tappat sin telefon och spräckt skärmen förstår hur användbart det skulle vara för miljontals människor.

Byggande

Byggindustrin skulle kunna skapa byggnader som bättre står emot orkaner och tornador. Slagtåligt glas kan även tåla kraftiga vindar och extrema temperaturer och ge byggare mer mångsidiga alternativ.

Militär användning

Tekniken kan också ge tåligare skottsäkert glas. Pågående konflikter visar hur små och individuella vapen blir mer avancerade. Militär personal behöver därför skydd som inte begränsar lägesuppfattningen. Forskningen kan ge glas som står emot träffar som i dag orsakar personskador eller dödsfall.

Företag som kan dra nytta av studien om slagtåligt glas

Många företag kan gynnas av tåligare, splitterresistent glas. Glas är en central komponent för både fordons- och elektroniktillverkare. Alla sätt att stärka det, sänka tillverkningskostnaderna eller förbättra egenskaperna är därför välkomna. Här är ett företag som kan dra nytta av tekniken.

Corning Inc.

Corning Inc. (GLW ) är en ledande tillverkare av skyddsglas och glasrelaterad teknik. Företaget står bakom det populära varumärket Gorilla Glass och är specialiserat på avancerad optik, bildskärmsglas och optisk kommunikation.

Corning är en branschpionjär med stark ekonomi och ett stort nätverk av partner, investerare och forskare som stöder företagets position. Det tillkännagav nyligen ett strategiskt partnerskap med AT&T (T ), vilket utvidgar ett flerårigt inköpsavtal mellan koncernerna.

Corning är en ledande forskningsaktör inom avancerad optik. Företaget har i årtionden samarbetat med branschledare för att lösa komplicerade problem och räknas i dag till världens främsta glastillverkare.

GLW är en intressant aktie av flera skäl. Corning har bland annat gjort kloka förvärv, däribland SpiderCloud 2017 samt STRAN Technologies och Allied Fiber Optic Products 2016. Förvärven har utökat företagets kompetens och kundbas.

Framtid

Framtiden för slagtåligt glas ser ljus ut. Framstegen kan göra flyg, resor, optik, elektronik och byggnader säkrare. Forskarna kan utforska allt från genomskinliga ubåtar till rymdfarkoster som tål solens hetta.

Slagtåligt glas kommer att göra avtryck.

Tåligare glas kan ge intressanta framsteg inom flera sektorer. Forskargruppen förtjänar uppskattning för nya metoder och modeller som visar exakt hur och när glas når sin bristningsgräns. Att undanröja dessa faktorer öppnar för en säkrare och mer livskraftig framtid.

Läs om fler framsteg inom materialvetenskap i dag.

Studiereferens:

^{1. Saito, M., Araki, T., Onodera, Y., Ohara, K., Seto, M., Yoda, Y., & Wakabayashi, Y. (2024). Upptäckt av kollektiva icke‑hoppande rörelser som leder till Johari–Goldstein‑processen för spänningsavslappning i modell‑joniskt glas. Acta Materialia, 262, 120536. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2024.120536}