Как построить будущее из стекла

Люди научились изготавливать и обрабатывать стекло более 5 тыс. лет назад, но до сих пор оно удивляет разнообразием и возможностями своих свойств. По публикациям в прессе складывается впечатление, что мир будущего построят на графене, антиматерии, вибраниуме и на других неведомых веществах. Нечего сказать о стекле? Как бы не так. На прошедшем в офисе Mail.Ru Group научном лектории Set Up стекольщик и кандидат химических наук Георгий Шахгильдян прочитал лекцию, на основе которой появилась статья, рассказывающая, что такое стекло и для чего оно всем нам послужит.

Что такое стекло?


^{Стекло и кварц состоят из диоксида кремния.}

Стекло изготавливается из расплавленного песка. Обычный песок — это кристаллы SiO₂ (кремний и кислород). Структура каждой крупинки состоит из ровных колец, обладающих ближним и дальним порядком. Ближний порядок — это когда расстояние между атомами у кремния и кислорода одинаковое, дальний порядок — когда атомы и молекулы имеют одинаковое взаимное расположение в любой точке вещества. Получается так называемая трансляционная симметрия.

В стекле есть только ближний порядок. При нагревании кристалл превращается в жидкость — в расплав. При охлаждении этого расплава мы получим стекло — некую структуру с неоднородным строением. Одной из особенностей стекла является наличие так называемого интервала стеклования: мы можем нагревать его в определенном интервале и менять его свойства.

Стекло может состоять не только из кремния и кислорода. Многие элементы (натрий, барий, серебро, иттрий, олово, кальций и т.д.) являются модификаторами стекла, придающими ему разнообразные уникальные свойства.



^{Источник: wiki}

Одним из самых известных примеров стекла с модификатором является Кубок Ликурга — стеклянный сосуд, изготовленный в IV в. н.э. Цвет кубка меняется в зависимости от освещения. Так, в отраженном свете он зеленый, а на просвет — красный. Раньше эту особенность воспринимали как магию, но все дело в химическом составе стекла: гибридные наночастицы серебра и золота придают стеклу такое оптическое свойство.

Для чего используется стекло?


^{Источник.}

Процесс изготовления стекла похож на варку супа. Сначала берутся ингредиенты — разные кристаллические материалы: сода, песок, какие-то дополнительные оксиды. Все это смешивается и помещается в специальную емкость — тигельные печи или огромные стекловаренные печи. В них засыпается смесь веществ и нагревается до температуры 1500—1700 ^оC.

Помните про интервал стеклования? Это температурный интервал, в пределах которого мы можем что-то делать со стеклом, придать ему какую-то форму. Можно создать бутылки, оконные стекла и даже стекла, которые лечат рак — микрошарики, в состав которых входит радиоактивный иттрий. Врач вводит порцию микрошариков в пораженный орган, где они равномерно распределяются благодаря системе кровообращения и с помощью радиации разрушают раковые клетки. В то же время микроисточники радиации закупоривают сосуды (так называемая эмболизация — лечебное закупоривание) и не дают питать раковые клетки.



^{Микрогранулы с иттрием-90 вводятся в артерию печени.}

Наполнить микрошарики можно не только иттрием — любое необходимое лекарство помещается в гранулы и вводится непосредственно в пораженный орган или наносится на поверхность кожи. Постепенно выделяя препарат, они обеспечивают его длительное действие. Количество микрогранул настолько мало, что они никоим образом не оказывают негативного влияния на жизнь и работоспособность пораженного органа.



^{Источник.}

Есть вид стекла, который очень любят девушки — Swarowski. Производитель пишет, что это кристаллы, однако на самом деле это стекло с высоким содержанием свинца (30%), что не очень полезно. Но именно благодаря свинцу стекло так красиво блестит.



^{Как и человеческая кость, биоактивное стекло имеет пористую структуру.}

Есть стекла, из которых могут расти кости. На 3D-принтере из специальных биоактивных стекол печатают структуры Scaffold. Они внедряются непосредственно в поврежденную часть кости и на них нарастают остеобласты и другие клетки. В результате получается новая кость, а сам Scaffold растворяется, так как является биоразлагаемым стеклом. В процессе растворения материал высвобождает кальций и другие вещества, стимулирующие рост костей.

Есть стекла, в которых делают ДНК — это специальные нанопористые стекла, в которые можно высаживать разные олигонуклеотиды.

Стекло как носитель данных


Если бы не было стекла, у нас не было бы интернета. Чтобы передавать трафик по медным проводам нам понадобилось бы несметное количество тонн меди, и все равно ничего не получилось бы из-за возникающего электрического сопротивления. К счастью, есть оптоволокно, на котором построены все мало-мальски серьезные сети передачи данных.

Но как сохранять обилие информации, которое мы постоянно генерируем? Сегодня данные хранятся на весьма тривиальных средствах — на HDD-дисках, флешках, CD, DVD, ленточных накопителях, и у всех этих носителей имеются ограничения.

На самом деле это большая проблема, ведь бумажные носители несовершенны, а электронные и магнитные довольно быстро деградируют, морально устаревают, а благодаря высокой концентрации информации гибель даже одного диска приводит к утрате большого объема данных. Кроме того, всевозможным библиотекам, архивам и фондам приходится тратить немало электроэнергии (и средств) на поддержание работы своих цифровых архивов.

Контента создается все больше, и предполагается, что к 2020 г. человечество накопит 35 зеттабайт данных. А какое количество контента мы даже не успеваем сохранять?

Стекло способно решить все эти проблемы. Оно может долго храниться — найдены стекла возрастом несколько тысяч лет. А кварцевое стекло будет храниться почти вечно (более 300 млн лет, если быть точным), оно не особо подвержено высоким температурам (выдерживает до 1000—1100 ^оC). Несколько лет назад ученым из университета Саутгемптона удалось успешно записать и считать информацию в кварцевом стекле.

В общем, если мы будем записывать информацию в стекло, то она хорошо сохранится. Это можно делать по аналогии с CD-диском, когда на плоскости размещаются дорожки из питов: 1, 0, 1, 0. Есть точка на поверхности — это 1, нет точки — 0. Если делать это не на плоскости, а в трехмерном пространстве, то объемы хранения данных будут гораздо больше. К примеру, диски Blue-Ray состоят из трех и более слоев. Но если взять стекло как прозрачный носитель, то можно сделать намного больше.

Компания Hitachi с 2009 г. разрабатывает технологию создания в объеме стекла 50 двусторонних слоев, то есть получается 100 слоев хранения данных. Специальный фемтосекундный лазер позволяет очень быстро менять фокусировку на разных слоях. Технология на сегодняшний день дает общую емкость 1,5 Гб на 1 квадратный дюйм.

Оказалось, что если применять лазерное излучение повышенной мощности, то внутри точек-питов, создаваемых в стекле лазером, формируются нанорешетки. Это структуры, обладающие эффектом двулучепреломления. Что это значит: если луч будет проходить через эту нанорешетку, он будет менять свою поляризацию, и мы сможем количественно определить, что с ним случилось. Тогда мы можем к каждой точке добавлять дополнительный параметр.

То есть сама по себе точка в стекле — это один бит. А с помощью дополнительных физических параметров в одну точку можно записывать 2, 3, 4, а то и 5 бит. Таким образом, обычный стеклянный диск сможет тысячи лет хранить до 200 терабайт информации. Можно с уверенностью сказать, что через 20—25 лет колоссальные объемы информации будут храниться в стекле.

Источник: geektimes.ru/company/mailru/blog/276892/