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      它是人類歷史上最具變革性的材料,“玻璃時代”我們這樣通向可持續發展

      來源:文匯報,文匯網官方帳號  撰稿人:  發布時間:2022年07月14日 瀏覽:
      摘要:

      它是人類歷史上最具變革性的材料,“玻璃時代”我們這樣通向可持續發展 - 為此,有人提出,我們生活在一個玻璃時代。聯合國將2022年確定為國際玻璃年,以此紀念這種人類歷史上最具變革性的材料。隨著玻璃新技術的發展和新產品的不斷涌現,玻璃對世界的積極影響不斷擴大,也將幫助人類應對全球可持續發展中的重重挑戰。

        生活中隨處可見的玻璃,可謂是促進當代人類文明發展最重要的材料之一,對人類現代社會的影響持久而深遠。它不僅在建筑、汽車、家庭用品和包裝等方面應用廣泛,更是能源、生物醫學、信息和通信、電子、航空航天、光電子學等尖端領域的關鍵材料。

        為此,有人提出,我們生活在一個玻璃時代。聯合國將2022年確定為國際玻璃年,以此紀念這種人類歷史上最具變革性的材料。隨著玻璃新技術的發展和新產品的不斷涌現,玻璃對世界的積極影響不斷擴大,也將幫助人類應對全球可持續發展中的重重挑戰。

      ▲玻璃建筑藝術的典范:法國巴黎盧浮宮玻璃金字塔。(圖/視覺中國)

        玻璃發展歷史上充滿了永久改變人類世界的里程碑??脊虐l現和歷史文獻表明,玻璃很早就成為一種奢侈品,它使用廣泛,且具有重要社會作用。古代西方人甚至認為,玻璃吹制者的氣息可與哲學家的智慧相提并論。

        過去一千年里,玻璃在人類文化和物質遺產中的作用不斷擴大。早在上個世紀,玻璃就已經主宰了我們的建筑天際線,太陽能電池板在能源市場上發揮重要作用。與此同時,玻璃也成為科學技術發展的基礎。從望遠鏡和顯微鏡的誕生,到現代社會光電導玻璃徹底改變了靜電印刷術,而后玻璃可控結晶技術催生了玻璃陶瓷,而玻璃光纖則引發了全球通信革命。

        作為建設可持續社會的重要輔助材料,玻璃能幫助人類解決世界面臨的一些重大挑戰,從而持續改善人類生活。

        健康和醫藥

        融入身體釋放藥物

        確保健康的生活和促進每一代人的福祉,對人類社會的可持續發展至關重要。玻璃和玻璃陶瓷材料已在醫療中被大量使用,未來其應用范圍還將繼續擴大。

        具有生物相容性和生物活性的玻璃醫療設備,正在造福世界各地的患者。2019年是生物玻璃誕生50周年,這是人類發現的首個與骨結合(并且不被排斥)的材料。1994年,第一批生物玻璃臨床產品進入市場。迄今為止,已有150萬原本已救治無望的患者受益于這類產品。

      ▲玻璃在生物醫藥領域中有著廣泛應用。(圖/視覺中國)

        最近,生物活性玻璃已被證明在降解時能比其他材料更好地釋放生物因子——它們刺激骨細胞產生新骨。生物玻璃可以使牙本質和牙釉質再礦化。通過不同的加工技術,玻璃陶瓷也已成為健康領域(正畸)的基本材料。

        臨床研究還發現,生物活性玻璃對深層骨感染(骨髓炎)患者具有抗菌作用。使用這種玻璃治療,不僅能修復骨骼,還能殺死細菌,彌補傳統抗生素在這方面的不足。

        現在,新研發的生物活性玻璃還可刺激軟組織修復。新的硼酸鹽玻璃纖維可治愈軟組織傷口——將玻璃纖維植入傷口,它會在數天內降解,隨著玻璃的分解,釋放出身體需要的化學物質,使軟組織修復,而玻璃的纖維形態則提供了組織得以重新生長的途徑。

        多孔或空心玻璃微球提供了封裝脆弱藥物的可能性,同時還能保護可能干擾藥物可用性的生物化合物,有助于控制藥物的釋放。Theraspheres是含有放射性釔-90的玻璃微球,它們通過肝動脈注射并在肝臟內滯留,以治療原發性肝癌。如果離開這種玻璃微球,如此高能量的輻射劑量,不可能被如此有效地定位。

        玻璃對于藥品的安全儲存也至關重要。過去幾年里,生物制藥的發展對包裝部件提出了更高要求。在治療性蛋白質、疫苗和單克隆抗體領域,生物制劑配方比化學藥物對外來物質和環境變化要敏感得多,所有新的給藥裝置都包含玻璃盒或玻璃注射器。此外,含有表面活性劑、鹽類和鰲合劑的液體制劑,加上更低的藥物含量,使全球關注制劑和包裝材料之問的相互作用,從而關注整個容器封閉系統。

        清潔水和能源

        開拓更具效益的路徑

        讓所有人都能用上清潔的水,是聯合國的可持續發展目標之一。過去一個世紀里,數十億人的生活條件得到空前改善,但仍有數億人沒有或很少有機會獲得清潔的水。多孔過濾材料可以對水進行消毒,以便安全飲用。

        通常,多孔玻璃中有大量相互連接的孔隙網絡,孔隙的寬度可以控制。這種材料也可用于空氣凈化。近幾十年來,各種有毒有機化合物的光催化降解,已被提議用作飲用水解毒的可行方案——陽光照射在浸泡于含有有機污染物溶液中的鍍膜玻璃上,即可創造一個能夠分解污染物的氟化還原環境。大多數有機化合物,諸如殺蟲劑、除草劑、表面活性劑和著色劑,可被降解成無毒產物。通過結合使用多孔玻璃過濾器,以及二氟化鈦、太陽能光催化玻璃/玻璃陶瓷涂層,就能構成一個可在發展中國家實施的、具有成本效益的解決方案。

        能源是當今世界面臨的幾乎所有重大挑戰和機遇的核心。太陽能是全球可支配的最豐富的清潔能源,也是目前最有前途的可再生能源之一。太陽能可通過包括光伏、太陽能熱發電和光生物反應器等技術來獲得,玻璃材料在其中均發揮著關鍵作用。

        光伏技術基于光電效應,玻璃設計在提高太陽能轉換效率方面起著重要作用。通過增加透明度、光捕獲或抗反射涂層等手段,玻璃提高了將太陽能傳給半導體的效率。此外,玻璃還提供機械和化學保護,以確保光伏電池的使用壽命。

      ▲太陽能與風能發電場(圖/pixabay)

        太陽能熱能裝置提供了另一種從太陽獲取能量的方法。利用太陽能加熱玻璃管內的液體,然后為發電機提供動力,以生產電力。用于太陽能集熱器的玻璃必須具有較高的機械強度、化學耐久性,以及在溫度大幅變化時的尺寸穩定性。

        光生物反應器是收集太陽能的另一種方法。將綠藻等光合作用微生物種植在玻璃管內,在太陽輻射下,這些微生物通過自然光合作用將太陽能轉換成化學能。

        除了太陽能,玻璃在實現風能向電力的有效轉化方面也發揮著關鍵作用。比如,風車葉片就是由玻璃纖維增強的復合材料制成。這種材料的強度不斷提升,就可能造出更大、更高效、更可靠的風車。

        玻璃基固態電池等新的玻璃材料正被開發用于能源儲存,以提高能量儲存密度、減少充電時間、增加充電循環次數、獲得更高的長期安全性等。此外,玻璃在核能發電中亦不可或缺。儲存液體核廢料的一種有效技術是通過玻璃化將液體核廢料固定在玻璃基體中。正在開發的核廢料玻璃,有望將液體核廢料安全存儲幾千年。

        玻璃甚至可用于氫動力汽車的開發。汽車儲氫的挑戰之一是如何在小體積和輕重量的情況下實現儲氫,中空玻璃微球(HGM,直徑僅為1至100微米)提供了一個可能的解決方案。

        工業和創新

        與光共舞無處不在

        制造業是經濟發展和就業的重要驅動力,但也必須考慮制造過程中的碳排放。未來需要更多投資來提高在制造業中占主導地位的高科技產品的效率,比如大力發展信息和通信服務業,玻璃產品在許多方面都發揮著關鍵作用。

        低損耗玻璃光纖的發明對互聯網的發展至關重要,它引發了全球通信革命,從而成為經濟和工業全球化進程中不可缺少的元素。

        隨著人們對帶寬需求的持續增長,正在開發的新光纖技術可使更多數據在更遠的距離上傳輸,同時最大限度地減少對信號放大的需求。光子晶體光纖可以實現更低損耗的光傳輸,盡管它還需要克服重大工藝挑戰,以實現長距離傳輸。此外,用以實現量子通信的新玻璃光纖也正在開發之中。

      ▲玻璃光纖使網絡在全球延伸,由此引發了全球通信革命。(圖/Pixabay,Gerd Altmann)

        無線通信領域的最新進展,也少不了玻璃的參與。例如,5G和WiFi可同時用同一天線進行信號傳輸,而光子ROF系統所需的亳米波及更高頻率的產生,就需要玻璃激光器。光纖激光器也利用了摻有稀土離子的玻璃的獨特特性。由于比其他商業激光器性能更卓越、更緊湊、更加多功能,因此玻璃激光器在全世界許多行業中被作為標準大量應用。

        另一個新出現的領域是柔性和可拉伸的光子學:根據設想,在沉積于超薄玻璃上的薄膜中制造集成電路,不久的將來可能會帶來諸如柔性電子產品的突破,可穿戴的光子監測器和傳感器就能很快實現。

        顯示玻璃的研發正在闊步邁進。隨著顯示器的分辨率不斷提高,對高科技玻璃基板的要求也越來越嚴格,必須開發新的玻璃,以提高顯示器制造過程中的尺寸穩定性。研發中的超薄玻璃或可讓顯示器變得可彎曲,甚至可折疊。先進的AR/VR眼鏡代表了信息顯示技術的下一次革命。玻璃還徹底改變了數據存儲,有望成為下一代全息存儲器的材料,可實現極高的數據存儲密度。

        在新的玻璃加工技術中,溶膠-凝膠技術發揮著重要作用。這種低溫、節能、低成本的技術,特別適用于玻璃質涂層和膜。這種涂層和鍍膜可為玻璃增加機械和耐腐蝕保護、抗反射、疏水性、光催化自清潔等性能,以及燃料電池、太陽能電池、固態照明和光通信中的光學和光電功能等。

        可持續城市

        節能環?!?R”典范

        預計到2030年,全球城市人口將有50億人。與快速城市化相關的挑戰,如固體廢棄物的安全清除和管理等,必須以可持續發展的方式積極應對。

        玻璃技術的發展將給現代交通帶來更多積極影響。例如,廠家正在為汽車擋風玻璃開發新的輕質、高強度玻璃,以提高燃油效率和乘客安全性。隨著自動駕駛汽車的發展,玻璃顯示器和觸摸屏將為道路上的娛樂和連接提供新選擇。而玻璃行業更關注為綠色運輸提供創新產品,以大幅減少燃料消耗和二氧化碳排放,減重玻璃、太陽能控制玻璃、電動汽車專用玻璃的開發已取得了顯著成效。

        平板玻璃行業則在積極開發新的建筑節能技術:新開發的玻璃和玻璃單元可大大減少對加熱和冷卻的需求,減少能源消耗和二氧化碳排放。玻璃涂層的進步將使建筑實現零排放,甚至為能源互聯網作貢獻。

        當代住宅和商業建筑設計采用大面積窗戶的設計趨勢,使節能玻璃有了更多用武之地。一項最新研究表明,歐盟28個成員國裝有高性能玻璃的窗戶,在2030年和2050年間所節約的能源,相當于分別減少9420萬噸和6850萬噸的二氧化碳排放——其節能潛力相當于將建筑能耗減少30%。

      ▲顯示玻璃在生活中無處不在。(圖/Pixabay,StockSnap)

        在減少城市固體廢棄物方面,玻璃容器也是關鍵角色?!皽p少(reduce)、再利用(reuse)、再循環(recycle)”(3R)構成了減少廢棄物產生量的主要規則,為創造可持續的生活提供指導。

        就容器而言,回收意味著將物品轉化為可以被塑造成新物品的原材料。而玻璃是唯一可回收的容器——玻璃可以無限循環使用,是循環經濟的一個完美案例。此外,玻璃容器是唯一在歐洲和美國擁有GRASS和食品安全印章的容器。

        應對氣候變化

        安全清潔替代塑料

        氣候變化現在正在影響各大洲的每一個國家,發展低碳經濟是應對這一全球挑戰的必由之路。玻璃行業正在開發去碳化的路徑,以實現低碳經濟。

        玻璃工藝品由于其節能功能,在應對氣候變化方面具有重要作用,盡管玻璃生產過程中熔化對能源需求相對較高,但在過去幾十年里,通過使用回收廢玻璃和減少玻璃產品的重量,玻璃熔化本身的能源效率得以大幅提高,比如容器玻璃的碳排放減少了25%。

        玻璃窗讓光線進入家庭和辦公室,同時保護居住者免受惡劣天氣影響。今天,一些全新開發的建筑玻璃,包括光變色和電致變色材料,使窗戶能夠動態適應陽光條件,從而提高能源效率。

        真空隔熱玻璃是另一項提高能源效率的技術。傳統的雙層玻璃窗在兩塊玻璃之間填充了惰性氣體,如氬氣,這就減少了熱量的傳遞。而在真空隔熱玻璃中,真空取代了惰性氣體,進一步減少了熱量的傳遞。在建筑空間,正在開發的夾層玻璃可以更有效減少家庭和辦公室的“噪音污染”。例如在兩片玻璃之間的聲學阻尼層,可增加吸聲。

      ▲現代玻璃的部分功用(圖/聯合國國際玻璃年官網)

        節能玻璃產品,包括用于建筑的低輻射雙層玻璃,用于絕緣的礦棉和泡沫玻璃,以及用于生產風力渦輪機、輕型汽車等的連續長絲玻璃纖維,在其使用壽命期間所節約的能耗,數倍于其生產能耗。比如,將單層玻璃窗更換為雙層玻璃窗,每年可減排60公斤二氧化碳,而其生產所產生的碳排放量約為25公斤/平方米,即能源回收時間為5個月。

        世界上的海洋驅動著全球系統,使地球適合人類居住。審慎管理這一重要的全球資源,是通向可持續發展的關鍵舉措之一。目前,塑料垃圾正在污染世界的海洋和其他水體,而玻璃可作為安全和清潔的替代品來消除塑料垃圾。玻璃由天然、安全和豐富的材料制成,可無限次回收。消除塑料將促進水底生物的健康,以及食用魚類和海產品的人類的健康。

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        作者:湯蕙萍/編譯

        編輯:許琦敏

        責任編輯:任荃

        *文匯獨家稿件,轉載請注明出處。

      責任編輯:單建慶
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