可“自我修复”的光学玻璃！
可“自我修复”的光学玻璃！
近日，以色列特拉维夫大学和美国加州理工学院的研究人员在Nature期刊上发表了一项开创性的研究，成功开发出一种具有自我修复能力的新型光学玻璃——自愈合多光谱肽玻璃。这种新型玻璃不仅具有良好的光学透明度，覆盖从可见光到中红外的宽光谱范围，还具备在室温下自我修复的能力。
打破常规！玻璃并不一定都是沙子做的
“玻璃”本质上是一种物质状态，指的是任何被冷却到刚性而没有变成晶体的物质。传统的玻璃通常由自然界中常见的无机材料——沙子，石灰石，碳酸钠烧制而成。这种高温的制造工艺已经持续了数千年，人类社会迫切需要一种可持续的技术来摆脱这种能源密集型工艺。
图1 平板玻璃的制造工艺
在该研究中，研究人员提出玻璃可以由简单的有机物——三肽制成，并且玻璃成型过程中并不需要高温。团队中的研究人员Finkelstein-Zuta表示，他们本意是想通过研究短肽来揭示蛋白质的神秘面纱，却偶然发现酪氨酸三肽极易溶于水，并且可以通过水溶液蒸发自发组装成无定形的刚性玻璃。更令人欣喜的是，这种玻璃的成形对溶液酸碱性并不敏感，因此可以适用于各种自然环境。
自成型和自愈的光学透镜
这种新型玻璃在可见光波段具有高透明度，且与普通玻璃的折射率十分相近。研究人员使用肽玻璃作为玻片之间的粘合剂涂层，测得了其在可见光波段的透过率高达90%（见图2a和图2b）。Nature期刊News and views栏目的评论人员Silvia Marchesan指出：“基于此技术可以制造高科技应用中备受追捧的多层透镜，它同时兼具防止刮擦和防雾等多重功能”。
此外，研究团队使用了“自下而上”的方法制造了一系列的光学凸透镜，他们将三肽溶液放置在涂有疏水材料的平板上，在表面张力的作用下，溶液会自然地形成弯曲形状，研究人员只需将溶液的水蒸发，即可获得一个完整的凸透镜（如图2c与图2d），而无需任何额外的加工。这种透镜制造方式与传统的玻璃切割、打磨的工艺截然不同，只需要改变溶液的体积就可以控制透镜的曲率半径，从而调节透镜焦距。图2e和图2f则展示了研究人员对不同体积的肽玻璃凸透镜焦距的测量。
图2 肽玻璃的的光学性质
这种新型的肽玻璃还具备惊人的自愈性：通常，自愈材料由于其流动性并不会具有较高的机械强度，肽玻璃在潮湿环境中的确具有一定延展性，但干燥后，会变得又硬又脆，图3展示了肽玻璃在韧性和脆性之间的转变。
图3 肽玻璃在潮湿环境中呈韧性，干燥环境中呈脆性
相对地，这种独特的特性也会为肽玻璃的应用带来一些副作用，即在非常干燥的环境下镜片会开裂（图4a），而通过增加环境湿度的方式，则可以让肽玻璃进行“自我修复”（图4b），整个过程仅需几十秒。不仅如此，即使对于已经脱水成型的肽玻璃镜片，研究人员展示了其另一种自我修复机制：即在疏水基板的持续应力下会激发肽玻璃内部组分的“蠕动机制”，使其自发地修复所受到的冲击损伤，尽管这个时间显著慢于潮湿环境下的自我修复（图4e）。
图4 肽玻璃的开裂与自愈
无限可能的应用前景
新型肽玻璃的发现不仅在材料科学领域实现了重大突破，更为光学技术的发展提供了新的思路。它的快速成型特性、自愈特性以及与普通玻璃相似的光学性质均意味着其无限的应用前景。例如，该技术或许可以解决复杂曲面透镜的制造难题。随着对肽玻璃的进一步研究和优化，期待它在未来的光学应用中发挥关键作用，为实现更高效、更稳定、更可持续的光学系统提供坚实的材料基础。
参考链接：
How Is Glass Made? | Materials, Production Methods, and More | AGC Inc. (agc-electronics.com)