Телефоны-раскладушки — это новый тренд. Но что делать с уязвимым пластиковым экраном? Ученые, похоже, нашли ответ: новое гнущееся стекло
На прошлой неделе Motorola показала новый телефон с гибким экраном. До этого телефоны со складными экранами представили Samsung и Huawei. Похоже, это новый большой тренд в мобильных технологиях, а возможно, и наше мобильное будущее в целом. Однако у всех представленных устройств есть важный недостаток: их экраны сделаны из мягкого пластика, а потому легко царапаются. Но есть и хорошие новости: спустя всего пару дней после анонса Motorola в журнале Science вышла статья с описанием открытия европейских ученых. Им удалось создать стекло, которое гнется и тянется не хуже обычного пластика. Объясняем, как можно соединить в одном материале твердость и гибкость и когда гнущееся стекло заменит пластик.
Хрупкость и твердость — не одно и то же. Идеальное стекло может быть одновременно твердым и гибким
Все стекла, которые используют для защиты экранов смартфонов, можно разделить на два класса с принципиально разными свойствами: полимерные/пластиковые/органические и обычные/минеральные/неорганические. Первые состоят из длинных органических молекул, а вторые — из совсем небольших структурных элементов размером всего в несколько атомов. Именно различие в типе структурных элементов и приводит к очень заметной разнице в твердости и хрупкости этих двух классов материалов.
И хрупкость, и твердость зависят от типа и силы связей между элементами. Но твердость материалов определяется тем, насколько легко исходные связи разорвать, а хрупкость — тем, насколько легко разрушенная структура потом восстанавливается обратно. Конечно, эти параметры связаны друг с другом, но твердость скорее определяется силой связей, а хрупкость — скорее сложностью структуры.
В полимерном стекле длинные молекулы-полимеры связаны между собой слабо. Именно поэтому такие материалы мягкие и легко царапаются. Зато такое стекло совсем не хрупкое: оно гнется, тянется и редко разбивается при ударе о каменный пол. Если посмотреть на такой материал во время удара под микроскопом, то будет видно, как полимерные молекулы немного растягиваются, но при этом не разрываются. На самом деле двигаются даже не отдельные молекулы, а только их части. Поскольку даже во время удара молекулы частично сохраняют связь с соседями, после него они легко и быстро могут восстановить свою структуру.
В обычном, то есть минеральном, стекле все наоборот. Основной элемент его структуры, «кирпичики», из которых оно сделано, — это тетраэдры оксида кремния (SiO₄), которые прочно соединены друг с другом. Именно эта прочность и объясняет то, почему обычное стекло является таким твердым.
Однако у такой структуры есть и важный недостаток: если даже один такой тетраэдр оторвать от другого, то заставить их соединиться обратно будет почти невозможно — связь между ними нарушится полностью. В результате даже небольшие воздействия на минеральное стекло будут приводить к появлению в нем полостей и трещин, которые уже не смогут «сами рассосаться». Именно такое поведение и делает обычное стекло хрупким. Так же ведут себя и кристаллы. А вот металлы, которые целиком состоят из одинаковых атомов, наоборот, очень пластичны: в них атомы очень легко восстанавливают разрушенные связи с соседями.
Чтобы сделать стекло гибким, нужно изменить его состав
Чтобы пластичность (то есть «нехрупкость») и твердость объединить в одном материале, очевидно, есть три пути: можно попробовать увеличивать твердость полимерных стекол, можно повышать гибкость минеральных стекол, а можно просто идти искать новые материалы.
Первый вариант очень сильно ограничен из-за внутренней структуры полимерного стекла: подвижность полимерных молекул автоматически подразумевает мягкость. Поэтому полностью избавить пластиковые стекла от царапин невозможно.
Третий путь (искать новые материалы) выбирают, когда вместо стекол в точном смысле слова — то есть аморфных материалов — предлагают использовать кристаллы. Например сапфировое стекло. То, что называют сапфировым стеклом, — это очень твердый материал на основе кристаллического оксида алюминия, который действительно трудно поцарапать, но который при этом сильно снижает чувствительность матрицы в сенсорных экранах и не совсем подходит для создания гибких дисплеев.
На данный момент для создания гибких и твердых дисплеев самым перспективным выглядит второй вариант — делать обычное минеральное стекло более пластичным. Возможен ли такой путь? Да. И он основан на новом подходе к химическому составу стекла.
Самый известный пример такого подхода — технология Gorilla Glass, по которой делаются стекла, например, для айфонов. Такие стекла — вполне традиционные минеральные аморфные вещества, однако в их химическом составе есть существенные отличия. Для повышения твердости и одновременного снижения хрупкости в Gorilla Glass к оксиду кремния добавляют оксид алюминия, а ионы натрия, которые обычно содержатся в стекле, заменяют на калий. Это позволяет практически избавиться от царапин и частично решить проблему хрупкости. Однако эти изменения практически не влияют на гибкость материала.
Новое гибкое стекло — это «Gorilla Glass на максималках»
Материаловеды под руководством Эркки Франкберга из Университета Тампере в Финляндии решили пойти по пути изменения состава стекла до конца. Традиционное силикатное стекло ученые предложили просто заменить на аморфный оксид алюминия. Такое стекло значительно труднее получать, но оказалось, что при определенных условиях оно даже при комнатной температуре может быть довольно гибким (оставаясь при этом твердым) — значительно гибче, чем все современные силикатные стекла. И, конечно, гибче, чем сапфировое стекло, которое состоит из того же оксида алюминия, но в кристаллической форме.
Основное условие для появления пластичности у стекла из аморфного оксида алюминия — полное отсутствие дефектов (мелких полостей или микротрещин) в изначальном состоянии. В таком случае стекло приобретает пластические свойства: его можно растягивать так, что оно не разрушается. Эксперименты показали, что, если в структуре слоя стекла нет дефектов, то его можно растянуть практически в два раза. И трещины при этом не появляются.
Чтобы понять, чем стекло из аморфного оксида алюминия принципиально отличается от силикатного стекла, сначала попробуем разобраться со структурой стекол в принципе.
В зависимости от температуры все стекла могут находиться в двух принципиально разных состояниях: при сравнительно высоких температурах стекло размягчается и ведет себя как очень вязкая жидкость, а при более низких температурах оно превращается в твердое тело и становится хрупким.
Формально даже в твердом состоянии из-за аморфной структуры стекло течет, но происходит это настолько медленно, что увидеть это движение, в общем-то, невозможно. Теоретически рассчитанная вязкость стекла достигает таких значений, что эффект от стекания стекла под действием собственного веса можно будет заметить только через десятки миллионов лет.
Хорошо известно, что аморфный оксид алюминия при комнатной температуре должен находиться в твердом и хрупком состоянии. Это же подтверждали и некоторые предыдущие эксперименты. Почему же сейчас ученые обнаружили у материала пластические свойства? Для ответа на этот вопрос авторы статьи провели дополнительное компьютерное моделирование и выяснили, что при отсутствии дефектов аморфный оксид алюминия может переходить в состояние, аналогичное переохлажденной жидкости, то есть он сохраняет способность течь при комнатной температуре.
Оксид кремния в такое состояние перейти не может, и связано это с небольшими отличиями в аморфной структуре стекла.
В обоих типах оксидных стекол присутствуют тетраэдрические элементы, с атомами алюминия (или кремния) в центре и атомами кислорода по вершинам. Но в случае с алюминием в структуре также есть его атом, окруженный не четырьмя, а пятью атомами кислорода. Из-за этого образуется значительно более плотная, чем у силикатного стекла, аморфная структура.
С помощью моделирования ученые показали, как эти отличия в структуре влияют на деформацию стекол при внешнем воздействии.
Выяснилось, что в силикатном стекле при расширении деформация почти полностью происходит за счет уплотнения или расширения структуры, то есть атомы или группы атомов не двигаются в материале, а только слегка приближаются друг к другу. Из-за этого даже при довольно небольшом усилии материал полностью теряет свою пластичность. В нем начинают возникать отдельные полости, которые потом соединяются и перерастают в трещины.
В аморфном оксиде алюминия ситуация принципиально отличается: при растяжении и сжатии связи между алюминием и кислородом не растягиваются, а перепрыгивают с одного атома на другой. Такой механизм позволяет отдельным участкам структуры двигаться относительно друг друга и делает стекло пластичным. Таким образом, несмотря на обычную температуру, фактически стекло находится в высоковязком, а не хрупком состоянии. В аморфном оксиде кремния этот механизм перескока связей тоже присутствует, но, по оценкам ученых, он от 8 до 25 раз слабее, чем в оксиде алюминия.
Другая важная причина, по которой оксид алюминия в принципе лучше оксида кремния и других стекол, — это низкий энергетический порог изменения структуры. Это значит, что при внешнем воздействии возникающее напряжение не начинает «искать» хоть какой-то дефект в качестве слабого места, а сразу переходит к атомной структуре, которая сравнительно легко «плывет». Получается, что если аморфный оксид алюминия при внешнем воздействии начнет пластически деформироваться, то в аморфном оксиде кремния при тех же условиях будут появляться трещины.
Новый материал будет полезен не только покупателям телефонов. Но сперва нужно научиться его производить в промышленных масштабах
Пока производство такого материала упирается в технологические проблемы. Во-первых, оксид алюминия намного хуже сохраняет аморфное состояние, чем оксид кремния, и при закалке часто переходит в кристаллическую фазу — поэтому закалку надо проводить экстремально быстро или при очень низких температурах. Во-вторых, даже в тонких пленках очень непросто получать абсолютно необходимые бездефектные структуры.
Есть и другая возможная проблема для производителей — сложно предсказать твердость подобного материала. Вероятно, ее придется повышать за счет небольшой модификации химического состава стекла. В своей работе ученые твердость материала не измеряют, поэтому пока непонятно, чем все-таки такое стекло можно будет поцарапать. Известно, что аморфный оксид алюминия, особенно если он достаточно плотный, уступает по твердости сапфиру, но при этом находится на уровне силикатных стекол. Как на твердости скажется переход в «переохлажденный» пластически режим — пока до конца не ясно.
Стоит отметить, что проблема получения нехрупких неорганических стекол касается не только сенсорных экранов гаджетов, но и оптоэлектроники, гибкой электроники или солнечных батарей — то есть всех устройств, для которых нужны прозрачные материалы, чьими электрическими и механическими свойствами можно управлять. Уже сейчас новый материал можно использовать для этих нужд. Однако, чтобы увидеть его применение в качестве защитного покрытия, нужно еще подождать — а пока остается прятать гибкие пластиковые экраны в чехлы и сдувать с них пылинки.
«Медуза»