Špičkový základný výskum je nevyčerpateľnou studnicou pre aplikácie. Potvrdzuje to aj výskum chalkogenidových skiel, ktorý výrazne skvalitňuje náš život.
Obrovský význam skla pre život podčiarkla aj Organizácia spojených národov vyhlásením roka 2022 za Medzinárodný rok skla.
Čo je vlastne sklo
Sklo je anorganický nekryštalický materiál, vyrobený tavením vhodných surovín a následným riadeným ochladzovaním vzniknutej skloviny bez kryštalizácie.
Vzniká plynulým prechodom zo stavu kvapalného do stavu tuhého. Pri ochladzovaní skla dochádza k spojitému rastu vnútorného trenia (viskozity) až na tak vysokú hodnotu, že materiál sa navonok javí ako tuhá látka.
Na rozdiel od kryštalických látok je štruktúra skla bez pravidelných, symetrických a periodicky usporiadaných základných stavebných jednotiek na dlhšiu vzdialenosť. Zvyčajne zaraďujeme sklo do skupiny tzv. amorfných látok bez akéhokoľvek usporiadania stavebných atómov so štruktúrou „zamrznutej“ kvapaliny.
Sklá sú však trochu špecifickými amorfnými látkami, pretože majú určitú usporiadanosť na veľmi krátku vzdialenosť. Existuje teda stavebná jednotka (motív) pozostávajúci z niekoľkých atómov, pričom v rámci motívu dodržiavajú jednotlivé atómy pravidelné usporiadanie. Samotné motívy sú však usporiadané nepravidelne.
Sklo sa vyznačuje vysokou priepustnosťou svetla v oblasti viditeľného spektra. Pri bežných teplotách je tento materiál tuhý a tvrdý, zároveň je však krehký. Je odolný voči poveternostným a chemickým vplyvom, nepriepustný, má vysokú pevnosť v tlaku, relatívne nízku mernú teplotnú a elektrickú vodivosť.
Krátka história skla
Dejiny skla sa začínajú už v Mezopotámii, kde tamojší majstri približne v 3. tisícročí p.n.l. vynašli techniku výroby skla.
Sklo sa vyskytuje aj v prírode ako hornina. Vzniká pri roztavení kremičitého piesku pri vysokých teplotách, ktoré môžu pôsobiť napr. v dôsledku úderu blesku, pri sopečných erupciách, alebo pri dopade meteoritu.
Už v mladšej dobe kamennej, teda cca 7 000 p.n.l., používali ľudia sklené horniny z prírody s ostrými reznými hranami ako užitočný nástroj. Okolo roku 1 500 p.n.l. začali vyrábať starí Egypťania prvé duté sklené nádoby na masti alebo oleje. Skúsenosti sklárov sa ďalej šírili z Alexandrie do Sýrie a Palestíny a neskôr do Talianska, Galie a Porýnia. Sklo brúsili už starí Rimania.
Z knižnice asýrskeho kráľa Aššurbanipala pochádza prvý známy recept na výrobu skla v histórii: „Vezmi 60 dielov piesku, 180 dielov popola z morských rastlín a 5 dielov kriedy.“ Táto receptúra z roku 658 p.n.l. zostáva už dva a pol tisíca rokov neprekonaná.
Z kremičitého piesku, uhličitanu draselného a vápenca vznikne prírodné, nepriepustné, tvarovateľné a odolné sklo. V stredoveku sa rozvinula tradícia antického fúkaného skla. Vrcholný stredovek zas prispel výrobou dutého skla a tiež umením vitráže, tzv. sklenej mozaiky. Rôznymi tvarmi dutého skla zase prispela gotika – priniesla fľaše alebo kalichy.
Na území súčasného Slovenska sa výroba skla uskutočňovala predovšetkým v banských lokalitách. Prvé sklárne na našom území vznikli v roku 1350 v Sklených Tepliciach. Postupne pribúdali a na konci 18. storočia ich bolo viac než 60.
V súčasnosti je sklo neoddeliteľnou súčasťou nášho životného prostredia. Používa sa vo výskume, komunikačných technológiách, architektúre a solárnych zariadeniach. Sklo je ideálnym obalovým materiálom pre nápoje, potraviny a kozmetiku.
Aké druhy skla poznáme ?
Sklá triedime predovšetkým podľa ich chemického zloženia, ktoré v značnej miere určuje ich fyzikálne vlastnosti a následne aj ich použitie v technickej praxi.
Najväčšiu skupinu tvoria oxidové sklá na báze oxidu kremíka (tradičné kremenné sklo), ďalej na báze oxidov bóru, fosforu, germánia, telúru a antimónu. Taktiež poznáme sklá na báze halogenidov, chalkonidov (zlúčenina S, Se a Te), ale aj tzv. kovové sklá.
Sklá môžeme triediť aj podľa ich použitia: obalové sklo (fľaše, demižóny, konzervové sklo, obaly pre farmáciu a parfumériu, tabuľové sklo (obklady budov, sklené výplne okien, dverí, nábytku, obrazov, skleníkov, zrkadlá, automobilové sklá a pod.), úžitkové sklo (poháre, sklené nádoby, nápojové sklo, dekoratívne a umelecké sklo), technické a laboratórne sklo (sklené výrobky pre chemický a potravinársky priemysel a zdravotníctvo), optické sklo (lupy, astronomické a fotografické objektívy), sklá pre mikro a nanoelektroniku, senzoriku, optické vlákna, pamäťové prvky, holografiu, infračervenú optiku a pod.
Chalkogenidové sklá
Názov „chalkogénidové skla“ je odvodený od prvkov VI skupiny periodickej tabuľky, kde sú prvky, ktoré máju spoločný názov chalkogény. Chalkogenidové sklá sú materiály, ktoré obsahujú aspoň jeden z nasledujúcich prvkov: síru (S), selén (Se) a/alebo telúr (Te).
Kyslík, ktorý sa nachádza v periodickej tabuľke nad sírou je v týchto sklách nežiaduci. Týmto sa chalkogenidové sklá líšia od všetkých bežne používaných skiel, základom ktorých je oxid kremičitý (SiO2).
Chalkogenidové sklá môžu byť veľmi zložité zlúčeniny a pripravujú sa priamou syntézou chalkogénov (S, Se, Te) s prvkami ako napr. arzén (As), germánium (Ge), antimón (Sb), gálium (Ga) a často sú dopované prvkami kovov (napr. striebrom, meďou, indiom, ale v ostatnom čase aj kovmi vzácnych zemín).
Kombináciou týchto prvkov vysokej čistoty a veľmi vysokou rýchlosťou chladenia taveniny v inertnej atmosfére sa dajú pripraviť sklá v širokom spektre chemického zloženia, a teda s veľmi rôznorodými fyzikálno-chemickými vlastnosťami.
Fyzikálne vlastnosti chalkogenidových skiel
Chalkogenidové sklá sú zaujímavé predovšetkým pre ich optické a elektrické vlastnosti.
Fyzikálno-chemické vlastnosti chalkogenidových skiel sa veľmi líšia v závislosti od ich zloženia. Niektoré vlastnosti sú výnimočné.
Zaujímavejšie sú však optické vlastnosti chalkogenidových skiel. Podľa zloženia prepúšťajú chalkogenidové sklá svetlo od vlnovej dĺžky 400 nanometrov (modrá farba) – až do 20 000 nanometrov (infračervená oblasť).
Práve vďaka výnimočným optickým vlastnostiam majú chalkogenidové sklá množstvo aplikácií. Pôsobením elektromagnetického žiarenia (svetlo, röntgenové žiarenie, prúd elektrónov a iné), tepla a elektrického prúdu je možné v chalkogenidových sklách vyvolať celú plejádu zaujímavých javov s obrovským aplikačným potenciálom. Už viac ako pol storočia sú preto chalkogenidové sklá v centre pozornosti materiálového výskumu.
Prínos pre náš každodenný komfort a budúcnosť
Široká paleta fyzikálnych a chemických vlastností týchto materiálov (štruktúra, index lomu svetla, optická priepustnosť, šírka zakázaného pásma, termické a iné vlastností) sa môžu ladiť zmenou chemického zloženia skla, dopovaním kovových prvkov a kovov vzácnych zemín, svetelným žiarením vhodnej vlnovej dĺžky a vhodnej intenzity a tepelným žíhaním.
Vďaka tomu majú tieto sklá uplatnenie v laseroch, zosilňovačoch optického signálu, optických vláknach, hranoloch, difrakčných mriežkach, šošovkách, materiáloch pre holografické zobrazenie. Podobne aj v optoelektronike (napr. xeroxy, optické pamäte, DVD disky) a elektronike (napr. spínacie a pamäťové prvky, fotovoltaické panely, iónové selektívne elektródy).
Ako príklad užitočnej aplikácie chalkogenidového skla možno uviesť jeho využitie pri výrobe optických šošoviek pre zobrazenie v infračervenej oblasti, teda pre nočné videnie a termovíziu.
V bežnom živote sa so zariadeniami na tejto báze môžeme stretnúť napr. v termovíznych kamerách alebo v niektorých automobiloch vyššej triedy, kam sa montuje zariadenie pre nočné videnie pre zvýšenie bezpečnosti.
Aktuálnym je aj využitie týchto materiálov pre vývoj pamätí na báze štruktúrnych fázových zmien, čo predstavuje typ vysoko výkonnej energeticky nezávislej pamäte počítača.
Chalkogenidové sklá patria do skupiny nelineárnych optických materiálov, čo im otvára cestu pri aplikáciách v telekomunikačnom sektore.
Vzhľadom k vynikajúcej chemickej odolnosti a stabilite týchto skiel v agresívnych médiách, chalkogenidové sklá sa používajú v oblasti monitorovania prostredia a kontroly priemyselných procesov vyžadujúcich meranie priamo na mieste a v kontinuálnom režime.
Chalkogenidové sklá sa používajú aj v elektrolytoch pre tuholátkové batérie, citlivých iónových selektívnych elektródach a detektoroch röntgenového zariadenia.
Smerujeme k nanosvetu
Súčasné trendy jednoznačne ukazujú, že mikroelektronika kráča míľovými krokmi smerom k nanoelektronike. Predpona „nano“ pochádza z gréckeho „nanos“, ktorý označuje trpaslíka.
Mikroelektronické technológie umožnili od šesťdesiatych rokov významnú miniaturizáciu, znižovanie príkonu a zvyšovanie účinnosti.
Nastupujúca nanoelektronika bude pracovať v kvantovom svete s nanometrovými rozmermi.
Pojem nanoelektronika se začal používať v 80. rokoch v súvislosti s možnosťou pripraviť polovodičové štruktúry s rozmermi v submikrometrovej oblasti. Za hranicu medzi mikroelektronikou a nanoelektronikou sa považuje rozmer 100 nanometrov.
Je len logické, že aj výskum v oblasti chalkogenidových skiel a ich potenciálnych aplikácií sa v súčasnosti zameriava na nano oblasť. Súčasné technológie umožňujú prípravu chalkogenidových skiel vo forme nanovrstiev, nanodrôtov a nanočastíc, čo výrazne rozšírilo aplikačné možnosti týchto materiálov v nanoelektronike, nanooptike, biológii a medicíne (napr. laserová mikrochirurgia).
Veľmi perspektívnym je výskum v oblasti vytvárania periodických nanoštruktúr na veľmi tenkých vrstvách chalkogenidových skiel pomocou laseru alebo koherentného elektrónového zväzku.
Takéto unikátne štruktúry vytvárajú vedci v Nanotechnologickom laboratóriu Centra fyziky nízkych teplôt Univerzity P. J. Šafárika a v Ústave experimentálnej fyziky SAV v Košiciach. Otvárajú novú cestu prípravy nanooptických a nanoelektronických elementov.
♦♦♦
prof. RNDr. Alexander Feher, DrSc., akademik Učenej spoločnosti Slovenska
• experimentálny fyzik a emeritný profesor na Prírodovedeckej fakulte UPJŠ v Košiciach
• jeden z iniciátorov vzniku Centra excelentnosti – Centra fyziky veľmi nízkych teplôt v Košiciach
• vedúci špičkového vedeckého tímu vysokých škôl na Slovensku identifikovaného Akreditačnou komisiou vlády SR pod názvom Kvantový magnetizmus a nanofyzika
• skúma kvantový magnetizmus, supratekutosť He3 a fyzikálne vlastnosti látok pri veľmi nízkych teplotách
• tím pod jeho vedením dosiahol najnižšiu teplotu v bývalej ČSFR, keď ochladil kvapalné hélium-3 na teplotu 280 mikrokelvinov
