Forskare vid Chalmers tekniska högskola, Sverige, har lyckats skapa en ny typ av superstabil, hållbart glas med potentiella användningsområden från mediciner, avancerade digitala skärmar, och solcellsteknik. Studien visar hur blandning av flera molekyler – upp till åtta åt gången – kan resultera i ett material som fungerar lika bra som de mest kända glasbildarna.

Ett glas, även känd som ett "amorft fast ämne, "är ett material som inte har en långsiktig ordnad struktur-det bildar inte en kristall. Kristallina material är å andra sidan de med ett mycket ordnat och upprepande mönster. Det faktum att ett glas inte innehåller kristaller är det som gör det är användbart.

De material som vi vanligtvis kallar "glas" i vardagen är mestadels kiseldioxidbaserade, men glas kan formas av många olika material. Forskare är därför alltid intresserade av att hitta nya sätt att uppmuntra olika material att bilda detta amorfa tillstånd, vilket potentiellt kan leda till utveckling av nya typer av glas med förbättrade egenskaper och nya tillämpningar. Den nya studien, nyligen publicerad i den vetenskapliga tidskriften Vetenskapens framsteg , representerar ett viktigt steg framåt i det sökandet.

"Nu, vi har plötsligt öppnat upp potentialen att skapa nya och bättre glasartade material, genom att helt enkelt blanda många olika molekyler. De som arbetar med organiska molekyler vet att användning av blandningar av två eller tre olika molekyler kan hjälpa till att bilda ett glas, men få kunde ha förväntat sig att tillsatsen av fler molekyler, och så här många, skulle uppnå sådana överlägsna resultat, säger professor Christian Müller vid institutionen för kemi och kemiteknik vid Chalmers högskola som ledde forskargruppen bakom studien.

Bästa resultatet för alla glasformande material

Ett glas bildas när en vätska kyls ner utan kristallisering, en process som kallas vitrifikation. Användningen av blandningar av två eller tre molekyler för att uppmuntra glasbildning är ett väletablerat koncept. Dock, påverkan av att blanda en mängd molekyler på förmågan att bilda ett glas har fått lite uppmärksamhet.

Forskarna experimenterade med en blandning av upp till åtta olika perylenmolekyler som, individuellt, har en hög skörhet — en egenskap relaterad till hur lätt det är för ett material att bilda ett glas. Men att blanda de många molekylerna tillsammans resulterade i en avsevärd minskning av skörheten, och en mycket stark glasformare med ultralåg skörhet bildades.

"Bräckligheten hos glaset vi skapade i studien är mycket låg, representerar den bästa glasbildningsförmågan som har uppmätts inte bara för något organiskt material utan även för polymerer och oorganiska material såsom metallglas i bulk. Resultaten är till och med överlägsna glasformningsförmågan hos vanligt fönsterglas, en av de bästa glasformarna som vi känner till, säger Sandra Hultmark, doktorand vid institutionen för kemi och kemiteknik och huvudförfattare till studien.

Förlänger produktens livslängd och sparar resurser

Viktiga tillämpningar för mer stabila organiska glasögon är displaytekniker som OLED -skärmar och förnybar energiteknik som organiska solceller.

"OLEDs är konstruerade med glasartade lager av ljusemitterande organiska molekyler. Om dessa var mer stabila kan det förbättra hållbarheten hos en OLED och i slutändan skärmen, ”Förklarar Sandra Hultmark.

En annan applikation som kan dra nytta av stabilare glasögon är läkemedel. Amorfa läkemedel löses upp snabbare, vilket underlättar snabbt upptag av den aktiva ingrediensen vid intag. Därav, många läkemedel använder sig av glasbildande läkemedelsformationer. För läkemedel är det viktigt att det glasartade materialet inte kristalliserar över tiden. Ju stabilare den glasartade drogen, ju längre hållbarhet läkemedlet har.

"Med stabilare glas eller nya glasformningsmaterial, vi skulle kunna förlänga livslängden för ett stort antal produkter, erbjuder besparingar både vad gäller resurser och ekonomi, säger Christian Müller.

"Vitrifiering av oktonära perylenblandningar med ultralåg skörhet" har publicerats i den vetenskapliga tidskriften Vetenskapens framsteg .