第二节 特种玻璃

一、日用玻璃研制的新成果

2007年3月，有关媒体报道，日本横滨一家材料研究所的研究人员，最近开发出一种和真玻璃一样的纸质材料，专门用来制造杯子、碗碟等餐具。

据介绍，纸玻璃的主要原材料是纸浆中含有的纤维素：先把纤维素加工成薄膜状，然后在其表面涂上一层一种真玻璃原料，这种原料会与纤维素含有的水分以及空气中的湿气发生反应，并在纤维素表面形成玻璃薄膜，最后生成的即是新型的纸玻璃材料。与传统的纸质餐具相比，“纸玻璃”餐具具有很多优点。首先，“纸玻璃”餐具的表面涂层完全不透水，即便长时间地储存任何液体都不会渗水或漏水。其次，其耐热性能也比纸杯好许多，甚至还可承受微波炉长达3分钟的高火加热。而且其强度又比纸质餐具强10多倍。可以说，“纸玻璃”兼具了纸和玻璃两种材料各自的优点。

“纸玻璃”餐具完全可以与真玻璃餐具一样晶莹剔透，并可通过在纤维素中加入油分的方法，制造出和玻璃丝袜同样呈半透明的餐具。另外，还可以通过给纤维素染色的办法加工出各种彩色餐具，使餐桌呈现五光十色、豪华富贵。

“纸玻璃”与真玻璃的最大区别是：它可以燃烧，而真玻璃则须高温才能溶解。“纸玻璃”的这一特点，对环境保护具有非常积极的现实意义。因为“纸玻璃”餐具用旧后，即可方便地作焚烧处理，燃烧时不会产生有害物质，如果当做垃圾埋入地下，即很快会被土壤吸收。若把其中的纸质成分过滤出来，还可制成再生纸再次使用。此外，除了制造餐具外，“纸玻璃”还特别适宜制造医疗器具。

二、车用玻璃研制的新进展

1．研制能提高舒适性的挡风玻璃

（1）开发防晕热反射玻璃。

2004年10月，有关媒体报道，防晕热反射玻璃属一种功能性玻璃，已在汽车挡风窗中得到应用。然而，现用防晕热反射玻璃是由夹层玻璃中间着色膜与玻璃灯光学干涉膜组合而成，防晕膜与热反射膜处理需两道工序来完成，因此工艺复杂，生产成本高。为了简化工艺，降低成本，又保持防晕热反射的功能，日本丰田汽车工业公司，开发出一种防晕热反射玻璃生产工艺。该防晕热反射玻璃系一种复层光学干涉膜的工艺。其工艺创新之处，在于离透明板玻璃端部一定距离的复层光学膜中，至少一层膜中含有有色吸收材料，在含有有色吸收材料的膜部分，与未含有有色吸收材料的部分之间，设置有色吸收材料含量递减的晕色膜部分。

据介绍，由此工艺生产防晕热反射玻璃具有以下优点：热反射膜与能见光线吸收膜不需分别制作，可一道工序完成，使原有工序减少，从而提高生产效率，降低生产成本。有色吸收材料可吸收一部分红外线，隔断太阳光的照射，进一步提高隔热效果，使车内或室内变得更凉爽。真空成膜法形成的热反射膜与基板附着力强，而且硬度高，耐久性和耐磨损性优良。热反射膜着色递减部分，色调逐渐变化，柔和自然，晕车者不会感到不适，具有防晕效果。

据悉，该公司这项技术已获得发明专利，并将其应用于汽车挡风玻璃的生产中。

（2）研发改善视野的智能型挡风玻璃。

2009年2月，美国媒体报道，在浓雾条件下，驾驶员趴在方向盘上，眼睛努力贴近挡风玻璃，试图看清车道标记。这种情况，随着当前研发的能见度增强系统的帮助，将得到显著改善。

通用汽车公司研发部人机界面实验室经理托马斯·塞德尔表示，他们正努力提高驾驶员的道路能见度。通过使用一个红外线传感器检测道路的边缘在哪，他们能向你在挡风玻璃上突出显示这个边缘，这将对雾天驾驶非常有帮助。即使在你移动头部时，该标记也移动以便你总能看清道路的边缘。

通过一系列技术，驾驶员能得到一个加强的透过挡风玻璃的视野。在其实验室化身上，增强视野系统部分，由一个风档组成，该风挡涂有透明的磷物质，通过对不可见紫外线的吸收发出可见的磷光。该系统采用微缩镜，瞄准微型超低能量磷物质二极管激光器的发光，及一系列传感器（红外及可见照相机），探察重要的真实世界特性。

改善视野挡风玻璃发现的关键技术，是雪佛兰“伏特”概念轿车，双模式仪表线束显示的一部分，伏特展出轿车的仪表线束有两个信息板，其中一个，是通过透明显示，并被安放在传统初级线束板前面。伏特展出轿车显示的透明显示，是经过精细调整，并根据通过挡风玻璃实现视野的改善。

2．研制能自我清洁的挡风玻璃

（1）研制不用雨刷的挡风玻璃。

法国原子能委员会的科学家，正加紧研制一项技术，它可以让雨滴遇到汽车挡风玻璃后，仍然保持圆珠状，并自动滑走。专家认为，这项技术的开发，可能预示着汽车玻璃上的雨刷将成为摆设。新技术在原理上借鉴了郁金香花瓣的特点。

科学家发现，一些水和灰尘，落到郁金香花瓣上以后，会逐渐流走，而不附着在上面。其中原因在于，郁金香花瓣表面粗糙不平，上面有许多仿佛人身体汗毛的物质，一层层不断把水滴推走，使其无法摊开。水滴由此仍然保持圆珠形，并像在气垫上一样滑走。科学家把这种原理，“嫁接”到玻璃上：他们在玻璃上，大量移植只有几个纳米长的塑料“绒毛”，取得了与郁金香花瓣一样的效果。

科学家认为，雨滴在这种玻璃上因为仍然是圆形的，所以接触面很小。汽车行驶时，雨滴会在风和重力作用下，自动滑走，不会影响司机视线。专家下一步研究，是要小绒毛不影响玻璃的透明度。

（2）运用荷叶滚动水珠原理发明能自我清洁的挡风玻璃。

2005年2月，有关媒体报道，美国俄亥俄州大学的一个研究小组，发明了一种拥有自我清洗能力的玻璃。有了这种玻璃，人们再也用不着为擦玻璃窗而烦恼了。

研究人员表示，他们这一新成果，是利用荷塘中荷叶上滚动着水珠这一原理研制出来的，并且纳米技术成为这一新发明的核心要素。

在纳米技术领域，各种小装置正在以超乎想象的速度接踵而至。能发动机器人的纳米电池，比一分的硬币还小，肉眼看不见的传感器，却灵敏到能检测有毒化合物的“蛛丝马迹”。但是这些纳米小玩意儿，都面临着同一问题：摩擦，而且传统的润滑油对纳米产品也不适用。研究人员正是在研究摩擦问题的过程中，意外获得这种抗污性的挡风玻璃的。

研究小组负责人表示，他有一次正在候机的时候，突发奇想：荷叶能违背摩擦定律，我们为什么不模仿这一自然奇观，并加以改进呢？一般地，摩擦低的物质其表面具有疏水基团，这些疏水基团的排水性，正是抵抗摩擦的关键所在。所以，为了降低纳米产品在运行中的摩擦，需要在其表面涂上疏水性物质。

研究表明，荷叶运送水珠的特性，在于其表面覆盖的凹凸不平的纹理，这种纹理状凸起能阻止水珠黏附在其表面。但是，荷叶表面纹理状凸起的尺寸大小，是多少才是最合适的呢？该研究小组开发了一个计算机模型，根据这一模型，可以获得不同物质和不同用途所需要的凸状大小，结论是，这些凸状涂层的物质都非常小，正是纳米级尺寸。

一些商家寻找的是这种商业化产品，把它喷射到挡风玻璃或微型引擎上来降低摩擦。由于任何物质都存在损耗的问题，他们又开发出一种模型，可以根据不同用途，选择不同尺寸的凸状涂层。目前，一家大型商家已经开始与研究小组洽谈，以大大降低公司这方面的开发成本，许多公司也表示了对这一技术的兴趣。而发明这一技术的研究人员，关注的却是，这一挡风玻璃将再也不需人工清洗。

3．研制能防穿甲弹的挡风玻璃

2005年10月19日，《新科学家》网站报道，美国俄亥俄州的空军研究实验室，约瑟夫·莫妮卡中尉负责的一个研究小组，研制出一种强度足以抵抗穿甲弹的透明材料。这种材料是氮氧化铝，可替代目前在军用车辆上使用的沉重且不够坚固的防弹玻璃。

莫妮卡说：“这种材料要比玻璃先进不知多少倍。”氮氧化铝是一种由铝、氧和氮组成的硅酸盐材料复合物，具备与蓝宝石相似的光学和结构特征。一般的防弹玻璃是由多层玻璃和聚碳酸酯层压制成的，而这种新式挡风玻璃外层是氮氧化铝，中层是钢化玻璃，里层是聚合物。

在代顿大学研究所进行的测试中，这种材料经受住了7.62毫米口径俄罗斯M—44狙击步枪，以及12.7毫米口径勃朗宁狙击步枪发射的穿甲弹。

它还能承受7.62毫米口径穿甲弹的连续射击。普通的防弹玻璃需要做到几十厘米厚才能具备同等的耐受力。进一步的试验，将检测用这种材料制成的挡风玻璃，对较大口径的子弹及炸弹的多次冲击的承受能力。试验负责人、代顿大学研究所的罗纳德·霍夫曼说：“这给我们留下了非常深刻的印象。”他说，这种物质，很有可能用于军用飞机等对装甲重量要求苛刻的交通工具。唯一的问题是，氮氧化铝的造价过于昂贵，是普通防弹玻璃的3倍。

三、建筑玻璃开发的新成果

1．开发能调节冷暖的建筑玻璃

（1）发明可调节冷暖的智能玻璃。

2004年8月，伦敦大学材料专家伊万·帕金与同事特洛伊·曼宁等人组成的一个研究小组，在《新科学家》发表研究成果称，他们研制出一种聪明玻璃，房间里的温度过高时，只有光线能透进来，将热量拒之窗外。

如果室内温度在29℃以下，那么，这种玻璃的，既可以让可见光也可以让紫外线透过。但是，一旦室内温度超过29℃，玻璃表面的一层物质就会发生化学反应，将紫外线挡在外面。这样，房间在保证光线充足的前提下，会拥有一个适宜的温度。

在此之前，研究人员想了许多防止房间过热的方法，比如给窗子安装茶色玻璃，但这些方法都不理想。以茶色玻璃为例，它无法根据变化了的条件而做出相应的变化，虽然茶色玻璃减少了进入房间的光线，有时候房间过冷，需要更多温暖阳光的时候，它却没有办法放过更多的光线。

帕金相信，这种新材料将改变大型建筑物的设计方式。他说：“现在的建筑趋势，是在建筑物上大量使用玻璃，但这对建筑师来说是个两难选择。如果采用有色玻璃，自然光的好处就会减少，不用有色玻璃，有时候室内温度就会很高，你就不得不缴纳高额的电费。”

聪明玻璃解决了这些难题。这种玻璃的表面涂有一层二氧化矾，无论是可见光还是紫外线，都可以穿过这种物质。二氧化矾在70℃的时候就会发生变化，如果温度超过这个过渡温度，它里面的电子就会改变排列顺序，这样它就会从半导体变成金属，从而挡住紫外线。研究小组经过许多次试验，在二氧化矾里掺入金属钨，终于使二氧化矾的过渡温度降低到29℃。另外，他们还找到了一种生产这种混合材料的方法，使大批量生产价格相对低廉的聪明玻璃成为可能。他们表示，三年之内就会出现商业型的聪明玻璃。但现在他们仍有一些问题需要解决，首先，他们研制的涂料尚不能永久附着在玻璃上，另外，现在的涂料带有很强的黄色。

曼宁相信，克服这些难题是有可能的。他说：“你可以往这种物质里再掺入另一种物质，比如二氧化钛，这样，涂层就会固定在玻璃上。你可以使用另一种染料来淡化黄色。”

（2）研制出防太阳热辐射的“夹心玻璃”。

2006年7月3日，墨西哥《改革报》报道，墨西哥国立自治大学能源研究中心，能源专家豪尔赫·奥维迪奥等人参与的一个研究小组，研制出一种可以防太阳辐射的高强度复合玻璃。

报道称，研究人员通过热力和压力作用，把多种材料复合在一起，在由两层玻璃和两层塑料做成的“夹心玻璃”中间，还用化学方法镀上了一层0.1毫米厚的聚乙烯薄膜。这种玻璃具有强度高、防辐射的特性，能使热辐射降低50%。

据介绍，虽然这种复合玻璃可以过滤紫外线，以及15%的红外线，但并不影响大部分可见光的透过，因此不会影响采光。

奥维迪奥说：“这种玻璃可在沿海地区建筑物中使用，它与挡风玻璃类似，在遭到物体撞击或飓风袭击时也会破碎，但碎片仍能粘连在一起。”

（3）发明可调节室内冷暖的智能玻璃。

2007年1月，美国《发现》杂志报道，英国伦敦大学的一个研究小组，发明了一种智能玻璃，不用空调，光是玻璃就能让室内冬暖夏凉。这种玻璃，能够有选择性地吸收或反射红外线，从而保持室内温度舒适宜人。

为什么智能玻璃具有如此神奇的作用？研究人员说，秘密就在于涂抹在它表面上的超薄层物质：二氧化钒和钨的混合物。天气寒冷的时候，二氧化钒能吸收红外线，产生温热效应，从而提高室内温度；相反，在炎热的天气里，超薄层混合物中，黏合在一起的两种物质的分子发生相应变化，反射红外线，从而使得室内温度凉爽。薄层混合物质中2%含量的钨决定了二氧化钒是吸热还是散热。

目前，智能玻璃距离大规模的生产还存在一定距离，它面临的问题是：智能玻璃表面有一层黄棕色的色调薄层，这层涂层看上去很脏，不能吸引建筑设计者的眼光。现在研究人员正在考虑的是，能否在薄层中加入其他成分来中和这种颜色，让智能玻璃变得干净起来，好尽早把这种玻璃运用到实际生活当中。据悉，5年后这种智能玻璃将上市，且它的价格仅比现有普通玻璃高出20%。

2．开发能自动调光的建筑玻璃

（1）开发可随环境温度自动调光的多功能窗用玻璃。

2004年11月，日本产业技术综合研究所下属永续材料研究部门的一个研究小组，成功开发出可根据环境温度变化，自动调节阳光与热量的新一代多功能窗用玻璃，把老材料最难解决的可见光透过率，从40%提高到了60%，性能达到世界最高水平。

建筑物在与外部进行光热交换中，窗户占了很大的比例。如从住宅来说，夏天约有70%的热量从窗户进入、冬天约有50%的热量通过窗户流失。为防止地球温室效应，住宅与办公室都加强了节能措施，节能型窗用玻璃的需求逐年增长。目前双层玻璃等节能型玻璃已经面市，正在逐步普及。虽然阻挡夏季过多日晒的热反射玻璃等已经上市，但由于光学性质是固定的，无法根据季节变化进行调节。另外也有人研究了使用热变色材料的调光玻璃，但由于可见光透过率低、隔热性差、随温度变化调节日照的范围小等原因，很难进入实用阶段。所谓热变色材料，是指其光学性质（透光、反射、吸收等）可随温度发生可逆变化的物质。如氧化钒就是其中之一。

日本研究小组在研究开发中充分利用了多层薄膜产生的光干涉，率先在世界上实现包括热变色调光薄膜在内的高性能多层薄膜结构。通过独自提出的材料设计与结构优化方案，开发出性能达世界领先水平的材料：可见光透过率达到40%～60%、阳光调光率比原来翻一番的热变色玻璃。阳光调光率，是指冬季阳光透光率，相对夏季阳光透光率的增长比率。由于多功能技术及生产方法的确立，使其成功地向产品的实用化迈进了一大步。

这种玻璃夏季可以阻挡60%～70%的日晒，冬季在实现高隔热的同时，还能吸收日光中的红外线部分。它以30℃左右为界限，自动根据环境温度进行切换。可通过结构选择增加高隔热与抗污等功能。

（2）研制出按需透光的智能玻璃。

2013年8月，美国劳伦斯伯克利国家实验室，化学家迪莉娅·米莉蓉领导的一个研究小组，在《自然》杂志上发表研究成果称，他们借助纳米结晶技术，开发出一种能让建筑物门窗更聪明的智能玻璃。这种玻璃中嵌入了一层超薄纳米涂层，可按需调整进入玻璃的光线，能做到明暗可控、冷热可调，有望大幅降低建筑的空调和照明开支。与现有的技术不同，该涂层可实现对可见光与产生热量的近红外光的选择性控制，以便在不同的气候条件下最大限度地保证舒适性和节约能源。

米莉蓉说：“在美国，我们所消耗的所有能源中，大约有1/4用于建筑的照明、取暖和制冷。目前城市中的不少建筑，都被大量的玻璃所覆盖，新材料的使用将大幅提高这类建筑的能源使用效率。”

此前，该研究小组，因研制出能够阻挡近红外光只让可见光通过的隔热玻璃，而为世人所知。该技术的关键，在于电致变色效应。新研究要求他们的技术达到一个新高度，做到对可见光和近红外光的独立控制。这意味着，使用者能够在不增加额外热量的情况下，保证室内的采光，从而减少对空调和人工照明的依赖。

新技术核心是一种经过重新设计的电致变色材料，由氧化铟锡纳米晶体和嵌入在玻璃基质中氧化铌组成。除了能分别控制可见光和近红外光，采用这一技术的窗户，还能按需切换到遮光模式，即同时屏蔽近红外光和可见光；也能切换到全明模式，即让所有光线毫无阻挡地进入室内。

研究人员发现，纳米晶体在玻璃中微小区域的协同交互作用，可增强电致变色效应。这意味着，可以在不牺牲性能的前提下，进一步降低涂层的厚度。最关键的是，这种纳米晶体玻璃界面的原子连接方式，导致了玻璃基质结构的重排，它拓展了玻璃基体的内部空间，使电荷的移动和进出更加容易，这也为新型电池材料的研发提供了思路。而从材料设计的角度来看，他们证明了，能够用在单一同质材料中增加不同材料的方式，来赋予其新特性。

3．开发可节能省耗的建筑玻璃

（1）发明可兼作太阳能热水器的外墙玻璃。

2005年8月，有关媒体报道，法国国家实用技术研究所，发明了一种建筑外墙玻璃，可以同时起到太阳能热水器的作用。这一研究成果，非常适合目前各国提倡的建筑节能要求。

这家研究所提供的相关材料介绍说，这是一种双层中空玻璃，其40%的面积是透明的，余下部分被盘旋状的可以通水的铜管，以及银反射管所覆盖，覆盖物位于玻璃内层。这种双层中空玻璃可以吸收太阳能，并利用它把水加热。对于一个大楼来说，仅仅利用外墙玻璃，就解决使用热水问题，每年可以节省大量电力或煤气。除此之外，新型玻璃在保持屋内温度、防止过多阳光进入屋内等方面，与普通建筑外墙玻璃并无区别，因此有很强的市场竞争力。

研究人员指出，由于这种玻璃并非是完全透明的，因此它不是用来取代窗户玻璃的，而是用来替代除窗户外的其他各种建筑外墙玻璃。

近年来，法国政府大力发展节能型建筑，通过改善房屋结构和利用自然能源，达到节省电能和保护环境的目的。利用太阳能将水加热，是法国政府重点支持的建筑节能技术之一。

（2）研制出能减少能耗的镁钛合金玻璃。

2007年3月，日本媒体报道，日本一个新材料开发研究小组，设计出一种用镁钛合金作为可变换层的新玻璃，能使透明的窗户随用户需要而变为镜子。

一般而言，可变换的玻璃，只能调整透明度和颜色，而在这种镁钛合金玻璃中，折射率是可变化的，其原理是利用镁钛合金作为可变换层，提升了原有玻璃的特性。

据介绍，研究小组已经制造出第一块这种镁钛合金玻璃样品，规格为60厘米×70厘米，里面的合金层厚40纳米，此外还有一层4纳米厚的钯金属层。这种合金玻璃，适于在建筑物、家庭生活用品及汽车等方面使用。

研究人员表示，找到合适的合金是制造这些玻璃的关键。之前的各种可变换玻璃制品都在商业化上遇到了问题，例如过于昂贵，或者有一种微黄的颜色，不适于用作汽车及需要清晰视野的领域。这种新式的镁钛合金玻璃，则较好地解决了成本方面的障碍，以及相关功能上的缺陷。

研究人员估计，这种镁钛合金玻璃，用于办公室和家庭，能减少空调等30%的能耗，此外，研究人员正致力于提高这种玻璃的使用寿命。

（3）开发出高效反射红外线的节能玻璃。

2007年6月25日，日本产业技术综合研究所发表新闻公报说，该所一个研究小组，开发的节能玻璃，可将阳光中50%以上的红外线反射出去，用这种玻璃做窗玻璃，夏天空调耗电量可大幅度减少。

据测算，夏季白天进入建筑物的热量71%经由窗户，采用这种节能玻璃做窗玻璃，室内一侧温度，比采用普通玻璃低1.5℃。同时，这种玻璃对可见光的透过率超过80%，不会影响居室采光，还能阻挡阳光中几乎所有的紫外线。

公报说，研究小组使用名为“溅射法”的技术方法，使以氧化钛和氧化硅为主要原料的薄膜层附着到玻璃基板上，每层薄膜的厚度仅为几十纳米。通过对薄膜层厚度的调控，使玻璃有选择性地反射波长750～1000纳米之间的红外线。在阳光中，这一波段的红外线输送的热量最多。

现有的红外线反射玻璃的反射率约为30%。此外，与新开发的节能玻璃相比，“半透半反镜”玻璃，虽然具有同等程度的反射率，但是可见光难以通过，会降低室内光线强度。

公报指出，这种节能玻璃的价格，是现有红外线反射玻璃的2～3倍。产业技术综合研究所计划与企业合作，使其价格接近普通红外线反射玻璃，并在5年内使这种节能玻璃进入实用阶段。

（4）研制成可节省能耗约70%的智慧型玻璃。

2007年8月，西班牙媒体报道，现代感十足的玻璃建筑，除了能为沉重的水泥丛林增添一些美丽的景色，那毫无阻碍流泄进来的光线，更能让在里头生活的人们感受到温暖。只不过，有时这“温暖”实在太暖了些，使得大楼的空调费用节节高升。

这种热情如火的问题，在西班牙的夏天更是严重。为此马德里工艺大学的研究人员发明一种“智慧”型玻璃：也就是把两块玻璃组装起来，中间空出一公分的空隙，并灌入可循环流动的水，借此将热量带走。

根据实验数据，大量采用“智慧”型玻璃的大楼，将可省下70% 的空调用电。目前这项产品还没正式上市，不过，从开发这项技术的研究人员已经独立出来成立公司这个举动来看，这项技术应该离我们不会太远了。

4．开发能自我清洁的建筑玻璃

发明能借助自然界力量实现自我清洁的建筑玻璃。2005年5月，英国媒体报道，经常擦拭外窗玻璃是件很辛苦的事情，而如果你家住高层，那么恐怕就对此更加犯愁了。不过如果在你的家中，安装的是一种英国研制的特殊玻璃，恐怕清洁之苦也就会大大地减轻了。因为这种由英国玻璃公司研究人员经过多年研究发明的玻璃，是一种能够借助自然界力量来自我清洁的建筑玻璃。

负责研究这种自洁玻璃的克温·桑德尔松教授介绍，这种玻璃和普通玻璃的不同之处在于，它使用了一种并不十分复杂的工艺，为玻璃的表面镀上了一层超薄的化合物膜。而这个薄涂层的主要成分是二氧化钛，它是一种光触媒，能够引起特殊的催化作用。当这种物质在受到大于二氧化钛能隙宽度的光线照射时（例如紫外光），内部电子会被激发，与空气的氧气和水分子发生作用，产生负氧离子和氢氧自由基，由此产生强烈的氧化还原反应，将附在表面的有机物分解成水和二氧化碳。正因为如此，这种玻璃就能够利用户外的阳光中的紫外线将附着在玻璃上面的各种有机污垢分解掉。也许有人会担心，在不断的氧化作用中这层镀膜会被消耗殆尽。不过研究人员告诉大家，因为二氧化钛非常稳定，在整个过程中也只起到催化作用，本身不损失，所以从理论上来讲这层镀膜可以永远地发挥作用。而且在太阳光照的作用之后，镀膜还能维持这种作用，这就使得我们窗户玻璃上的清洁工作，即使是夜间和阴霾天气也不会停止。完成了清洁之后，自洁玻璃窗还能把清洗工作一并完成，科学家们发现二氧化钛光触媒涂层在光的作用下具超级亲水性，被涂在玻璃上的镀膜中也含有能够有较强吸水作用的化合物，于是过路的雨水很容易就被这层镀膜拦截了下来，早已被分解的有机污垢是非常容易从玻璃表面剥落的，这些雨水自然就能够将它们全部冲刷掉，保持洁净的外表了。

桑德尔松指出，尽管用二氧化钛化合物做自洁玻璃是一种很酷的想法，但是二氧化钛本身确实呈白色，直接使用会影响玻璃的透明度。为此，研究人员想出的解决办法是，把这层镀膜纳米化，其厚度仅仅只有40纳米左右，是人的头发细丝的一千五百分之一，基本可以保证玻璃的透明度，只是在一些特殊的角度可以观察到玻璃的颜色有些泛蓝。

四、工业玻璃研发的新进展

1．制成可用于光学工业的特殊玻璃

（1）开发出防止液晶面板老化的特殊玻璃。

2004年7月，有关媒体报道，德国肖特公司宣布，成功开发出可防止液晶面板老化的新型玻璃，包括钨型和钴型两类。如果将这些玻璃用作冷阴极管材料，不仅能够遮挡导致液晶面板塑料材料老化的有害光线，还能够延长液晶面板的寿命。不仅是液晶面板，还能够广泛应用于使用冷阴极荧光管的各种产品中。

液晶面板使用的塑料等元件，受到冷阴极管释放的紫外线以后会变成黄色，产生老化。为防止老化，必须遮挡因冷阴极管气体放电而产生的紫外线。据悉，通过使用钴型玻璃和钨型玻璃，在汞气体放电中产生的波长254纳米和313纳米紫外线中，几乎能够完全遮挡313纳米紫外线，从而就能延长液晶面板的寿命。另外，据称此次开发的产品，不含超过欧洲废弃电气电子产品回收法令和有害物质使用限制法令规定限度的物质。

（2）开发出自洁不反光的纳米结构玻璃。

2012年4月，美国麻省理工学院一个研究小组，在美国化学会的《纳米》杂志上发表研究成果称，他们在玻璃表面创建出一种纳米结构，使其几乎消除了反射。由于它没有眩光，而且表面的水滴能如小橡胶球一样反弹，令人几乎无法辨认出这是玻璃，表现出自洁不反光的特性。

该玻璃的表面结构为高1000纳米、基底宽200纳米的纳米锥阵列。研究人员采用了适于半导体的涂料和蚀刻技术的新式制造方法，先在玻璃表面涂上几个薄膜层，其中包括光阻层，然后连续蚀刻产生圆锥形状。由于生产过程简单，无须特定方法，便可在玻璃或透明聚合物薄膜表面形成这种结构，只增加了极小的制造成本，该研究小组已经对这一生产过程申请了专利。

研究人员解释说，虽然经过疏水性涂层处理，但太阳能光伏板表面仍容易积聚灰尘和污垢，6个月后效率损失可达40%，如果采用这种玻璃制造电池板，可更有效地防水，并更长久地保持面板的清洁。此外，疏水涂层不能防止反射损失，而新材料却有这个优势，由于更多的光线能透射过其表面而不被反射掉，电池板的效率将会更高。这种新型玻璃还可应用于光学器件，比如显微镜和照相机，在潮湿的环境中工作时可具有抗反射和抗雾能力。在触摸屏设备方面，这种玻璃不仅可消除反射，还可抵挡汗渍沾污。研究人员说，如果以后其成本降到足够低，便可大规模用作车的挡风玻璃，可自清洁窗户的外表面污垢和沙砾、消除眩光、增强能见度，并防止内表面雾化。

英国牛津大学格林坦普尔顿学院高级访问研究员安德鲁·帕克评价说：“据我所知，这是第一次，从自然界中常见动物和植物的多功能表面学习高效制造，来优化抗反射和抗雾设备。未来这种‘师法自然’的方式，很可能会构造一个更加绿色的工程学。”

2．制成可用于电子信息工业的特殊玻璃

（1）研制出可制电子产品外壳的金属玻璃。

2004年10月，有关媒体报道，美国橡树岭国家实验室，华裔科学家吕昭平负责的一个研究小组，研制成功一种新型的金属玻璃，这在科学界引起轰动的成果。

要了解金属玻璃，首先得了解什么是金属，什么是玻璃，以及两者的差别。金属在从液态冷却凝固的过程中，有确定的凝固点，原子按一定的规律排列，形成晶体。然而，玻璃从液态到固态是连续变动的，没有明确的分界线，也就没有固定凝固点。因此，金属是一种典型的晶体材料，它的许多特性是由其内部晶体结构决定的。与金属不同，玻璃则是一种非晶体材料，不管是固态玻璃，还是液态玻璃，其内部原子均呈无序排列。

1960年，美国科学家皮·杜威等人，首先发现某些液态贵金属合金，如金硅合金在冷却速度非常快的情况下，当金属内部的原子来不及“理顺”位置，仍处于无序状态时，便马上凝固了，成为非晶态金属。这些非晶态金属具有类似玻璃的某些结构特征，故称为“金属玻璃”。一开始，这种金属玻璃大都是很薄的带状材料，应用受到限制。20世纪80年代，随着直径达到毫米级的块体金属玻璃的问世，非晶态金属的应用才有所推广。

块体金属玻璃虽然是种难得的好材料，但它们主要是以锆或铂等作为主要元素机体，成本非常高。20多年来，材料科学家们，一直在寻找便宜的大块金属玻璃，直到现在才取得突破性进展。目前，他们研究出来的新一代金属玻璃，以50%的铁，加上钼、钇、锰、碳、硼、铬和钴等化学元素，混合而成。其突破在于：

一是在技术上，合金的玻璃形成能力大为增强。与过去相比，钇的加入使材料形成非晶态能力大大增强，合金材料的冷却速度放慢了许多。

二是合成材料用的铁等其他元素都比较便宜，所以成本较低。

三是产品的尺寸比过去大，过去金属玻璃棒直径只能以毫米计算，现在可以达到1.2厘米。更主要的是，通过他们对此种非晶态合金形成机理的详细研究，人们对此类材料的制备、形成能力，以及所涉及的凝固过程，都有了进一步的认识。这种新型金属玻璃，最主要特点和优势是：硬度是常规钢材的两倍；由于它内在组合没有缝隙，所以有很强的抗腐蚀能力，不变质，重量轻；在一定的温度下有很高的柔性，它可以像泥巴一样，任你怎么捏都可以，但完全冷却后又非常坚硬。其不足之处，是韧性不够理想。

对于此类材料的用途，吕昭平认为非常广泛。由于它轻便、美观、坚硬，在民用工业上可以用来制造电脑和手机外壳。由于它超常坚硬，在军事工业上可以用于制造枪炮子弹、导弹和装甲车等。另外，在体育方面，适合于许多体育用品。比如，用在高尔夫球杆上，就可以有更大的反弹力，使球能打得很远。它的性能和特点，更为许多珠宝商带来商机。总之，它的用途不胜枚举。

（2）糖和油混合形成可制传感器或光纤设备的玻璃。

2007年3月，材料专家卡洛斯·古等人组成的一个研究小组，在《自然·材料学》期刊上发表研究成果称，他们发现，糖和油混合后自然形成的一种新型玻璃材料具有独特性能，这可能预示了一种全新材料的来临。

为了研究用油替代水作为乳液形成媒介的可能性，卡洛斯·古研究小组把糖加入油，同时加入表面活性分子，再将混合物加热至糖融化，然后等待混合物冷却。新形成物质具有玻璃般的透明和固体连续性，并掩饰了其中另一半的物质油。油赋予这种新物质，在具有固体形态的同时，具有液态行为，从而拥有全新性能。

研究人员表示，这种玻璃状物质，可用于传感器或光纤设备的制造，也可以应用到药物等方面的生产。但是，因为这种新物质具有如此独特的性能，它们很可能会激发出目前还不存在的应用领域。

（3）开发出可制电子产品的单晶体结构金属玻璃。

2011年6月17日，美国卡内基地球物理实验室研究员毛河光主持，他的同事参与的一个研究小组，在《科学》杂志上发表论文称，他们通过高压对一个金属玻璃样本进行处理后，在其内部发现了一个呈高度有序状态的单晶体结构。这项研究，有助于人们加深对金属玻璃材料的认识，开创出一种新型金属玻璃的制备工艺。

一般来说，包括金属玻璃在内的玻璃态物质，在内部结构上都处于无序状态。进一步研究表明，尽管玻璃，以及玻璃态物质的内部结构，总体呈现出无序状态，但其相邻的原子间（一般不超过4～5个原子间距），偶尔也会表现出一种暂时的有序性，这被称为“短程有序”，范围稍微大一点的被称为“中程有序”，再大一点类似于普通晶体的，则被称为“长程有序”。目前，绝大多数金属玻璃的结构，都属于长程无序、短程有序，试图让金属玻璃接近于晶体，具有“长程有序”结构的实验，也都以失败而告终。现在，毛河光研究小组的成果却有望改变这一现状，让制造出具有长程有序结构的金属玻璃成为可能。

实验中，研究人员把大多只有1厘米长、非常细的铈铝金属玻璃样本，放在25千兆帕斯卡（标准大气压力的25万倍）的压力下进行处理。结果发现，所有的样本都在强大压力下发生了“脱玻化”，关闭了玻璃态，并形成面心立方晶体结构，而它们的原子就像乒乓球一样，被塞入这个结构当中。样品被带回环境压力后，新结构仍然保持稳定。

毛河光说，这一令人振奋的结果表明，对铈铝玻璃进行加压，就可获得人们所需要的长程有序的“完美玻璃”，或许这种情况在其他金属玻璃中也存在。

即将加入毛河光小组的浙江大学研究人员曾桥石说，高压技术或许提供了一种通过金属玻璃制造单晶材料的方法。此外，它还有效地把两种极端材料结合在一起：高度有序的单晶和高度无序的玻璃。

金属玻璃也被称为非晶态合金，是一种具有特殊性能的新型材料。这种材料比玻璃坚硬、比金属有弹性，兼具两者的优点又克服了它们的弊病。其较高的强度、良好的磁学性能和抗腐蚀能力，使其在电子、航空航天、机械、微电子等领域，有着广泛的应用价值。用它制成的变压器铁芯，具有显著的节能效果，在电子设备中使用这种材料，还能起到减轻设备重量、增加有效载荷、增强抗干扰能力的作用。此外，它还能用来制造高尔夫球杆、感应式防盗标签等。

美国能源部能源前沿研究中心、中国国家自然科学基金会以及中国博士后科学基金会等单位为此项研究提供了资助。

（4）开发出可制造场发射电极的非晶块金属玻璃。

2011年12月，澳大利亚莫纳什大学的研究人员，与澳大利亚联邦科学与工业研究组织下属的过程科学和工程研究院的专家，共同组成的一个研究小组，在《物理评论快报》杂志上报告称，他们研制出一种属性与玻璃类似的新型金属化合物，并用其替代塑料，与碳纳米管结合制成新的场发射电极。该场发射电极能制造出稳定的电子束，有望用在消费电子和电子显微镜等领域。

以前，科学家们主要通过把碳纳米管，与其他纳米材料内嵌于塑料中，来制造场发射电极。这些场发射电极，尽管种类繁多且容易制造，拥有很大应用潜力，但其瑕疵也很多，比如，塑料的导电能力太弱；塑料的热稳定性很低，无法对抗长时间操作产生的大量热量。

现在，澳大利亚研究小组研发出了一种新的应用潜力很大且容易制造的材料，即非晶块金属玻璃，并用其代替塑料制造出场发射电极。当这些非晶块金属玻璃合金冷却时，会形成非晶材料，让它们的一举一动更像玻璃。

这种非晶块金属玻璃合金由镁、铜和稀土族元素钆制造而成，拥有很多塑料特有的特性；可顺应很多形状、大批量地制造，并能作为碳纳米管的有效基体。除了具有优良的导电性之外，这种金属玻璃也拥有非常稳定的热性，这意味着，即使经受高温，它也能保持其形状和耐用性。科学家们表示，以上诸多优势和其卓越的电子发射属性，使得这种非晶块金属玻璃，成为制造电子发射设备的最好材料之一。

3．制成可用于化学工业的特殊玻璃

开发出可制化学容器的高强度贝壳结构玻璃。2014年1月，加拿大麦吉尔大学力学工程系，弗朗科西斯·巴斯莱特等人组成的一个研究小组，在《自然·通讯》杂志上发表论文称，他们在贝壳的启发下，开发出一种新型结构玻璃，强度超过一般标准玻璃的200倍。

玻璃有很多用途，它透明、坚固、抗化学腐蚀、持久耐用，但最大缺点就是脆而易碎。研究小组就是针对这个问题展开研究的。他们深入研究了一些天然材料，如贝壳、骨头、指甲等，虽然它们都是由脆性的矿物质组成，却有着惊人的韧性和恢复能力，秘密就在于这些矿物质“结合”在一起，形成了一种更大、更坚固的结构单位。

研究人员说：“引入削弱性的‘接口’，会让材料变得更坚固，似乎与人们的直觉相悖，但在天然材料中，这却是一种被普遍采用的强大策略。”。利用这种天然策略，他们用一种3维激光在多聚玻璃中刻下一些微小的裂纹，并让微裂纹布满玻璃内部，结果该玻璃的强度提高了200倍，而且在承受冲击力方面变得更好，受到强力冲击时它会轻微弯曲，而不是立即碎掉。而且这种裂纹玻璃还能被“拉伸”，在被拉断前能伸长约5%，普通玻璃只有0.1%。

巴斯莱特说：“一个用普通玻璃制成的化学容器掉在地上，很可能会摔得粉碎；但如果用这种仿生玻璃制成化学容器，掉在地上可能会摔变形而不会完全摔碎。摔几次之后，它可能还能用。”

研究人员指出，贝壳由易碎的矿物质组成，但却坚硬而有韧性。他们最初在模仿贝壳结构时，试图造出一种微小的“基本模块”，再通过组装方式来建造一种新材料，就像建造一面微结构墙。巴斯莱特说，“后来，我们反其道而行之，从一大块没有微结构的材料开始，然后在其内部刻出接口。”

在玻璃中引入网状的微小裂痕，会让它变得更坚固，新方法以一种“非常经济”的方式克服了玻璃易碎的缺点。巴斯莱特说，“只需一束激光脉冲，精确地聚焦到事先确定的位置。我们的三维激光雕刻技术还能很容易地升级，用在不同形状的更大、更厚的材料上。”