Materiale transparente și translucide

În ceea ce privește absorbția luminii, considerațiile de material primare includ:

• La nivel electronic, absorbția în porțiunile ultraviolete și vizibile (UV-Vis) ale spectrului depinde de faptul dacă orbitele electronilor sunt distanțate (sau „cuantificate”) astfel încât să poată absorbi o cuantă de lumină (sau foton) de o anumită frecvență și nu încalcă regulile de selecție. De exemplu, la majoritatea ochelarilor, electronii nu au niveluri de energie disponibile deasupra lor în raza de lumină vizibilă sau, dacă se întâmplă, ele încalcă regulile de selecție, ceea ce înseamnă că nu există o absorbție apreciabilă în sticlele pure (nedopate), făcându-le materiale transparente ideale pentru ferestre în clădiri.
• La nivel atomic sau molecular, absorbția fizică în porțiunea infraroșie a spectrului depinde de frecvențele vibrațiilor atomice sau moleculare sau de legăturile chimice și de regulile de selecție. Azotul și oxigenul nu sunt gaze cu efect de seră, deoarece nu există o absorbție deoarece nu există un moment dipol molecular.

În ceea ce privește împrăștierea luminii, cel mai important factor este scara de lungime a oricăruia sau a tuturor acestor caracteristici structurale în raport cu lungimea de undă a luminii care este împrăștiată. Considerațiile primare privind materialele includ:

• Structura cristalină: indiferent dacă atomii sau moleculele prezintă sau nu „ordinea de interval mare” evidențiată în solidele cristaline.
• Structura sticloasă: centrele de dispersie includ fluctuațiile densității sau compoziției.
• Microstructura: centrele de dispersie includ suprafețe interne cum ar fi granițele granulelor, defectele cristalografice și porii microscopici.
• Materiale organice: centrele de împrăștiere includ fibrele și structurile celulare și limitele.

Ceramica transparentă

Transparența optică a materialelor policristaline este limitată de cantitatea de lumină care este împrăștiată de caracteristicile lor microstructurale. Difuzarea luminii depinde de lungimea de undă a luminii. În consecință, apar limite la scară spațială a vizibilității (folosind lumina albă), în funcție de frecvența undei luminoase și de dimensiunea fizică a centrului de împrăștiere. De exemplu, deoarece lumina vizibilă are o scală de lungime de undă de ordinul unui micrometru, centrele de dispersie vor avea dimensiuni la o scară spațială similară. Centrele de dispersie primară în materiale policristaline includ defecte microstructurale, cum ar fi porii și limitele granulelor. În plus față de pori, majoritatea interfețelor dintr-un obiect metalic sau ceramic obișnuit sunt sub forma granițelor de granule care separă mici regiuni de ordin cristalin. Atunci când mărimea centrului de împrăștiere (sau granița granulelor) este redusă sub dimensiunea lungimii de undă a luminii care este împrăștiată, împrăștierea nu mai are loc în nici o măsură semnificativă.

În formarea materialelor policristaline (metale și ceramice) mărimea granulelor cristaline este determinată în mare măsură de mărimea particulelor cristaline prezente în materia primă în timpul formării (sau presării) obiectului. În plus, mărimea granițelor granulelor au aproximativ aceeași scală cu dimensiunea particulelor. Astfel, o reducere a dimensiunii originale a particulelor cu mult sub lungimea de undă a luminii vizibile (aproximativ 1/15 din lungimea de undă a luminii sau aproximativ 600/15 = 40 nanometri) elimină o mare parte din împrăștierea luminii, rezultând un material translucid sau chiar transparent.

Modelarea computerizată a transmisiei de lumină prin intermediul aluminei ceramice translucide a arătat că porii microscopici prinși în apropierea granițelor granulelor acționează ca centre primare de dispersie. Fracțiunea de volum a porozității a trebuit să fie redusă sub 1% pentru transmisia optică de înaltă calitate (99,99% din densitatea teoretică). Acest obiectiv a fost rapid realizat și demonstrat amplu în laboratoarele și instalațiile de cercetare la nivel mondial, folosind metodele de procesare chimică emergente, cuprinzând metodele de chimie sol-gel și nanotehnologie.

(Translucența unui material utilizat pentru a evidenția structura unui subiect fotografiat.)

Ceramica transparentă a devenit interesantă pentru aplicațiile sale pentru lasere cu energie înaltă, ferestre transparente pentru armuri, conuri pentru rachete cu ghidaj IR, detectoare de radiații pentru testare nedistructivă, fizica energiilor înalte, explorare spațială, aplicații de securitate și imagistică medicală. Elementele laser mari fabricate din ceramică transparentă pot fi produse la un cost relativ scăzut. Aceste componente nu prezintă stres intern sau birefringență intrinsecă și permit niveluri de dopaj relativ mari sau profiluri de dopaj optimizate personalizate. Acest lucru face ca elementele ceramice cu laser să fie deosebit de importante pentru laserele cu consum mare de energie.

Dezvoltarea de produse din panouri transparente va avea alte aplicații potențiale avansate, inclusiv materiale rezistente la impact, rezistente la impact, care pot fi utilizate pentru ferestre și luminatoare de uz casnic. Poate că este mai important ca pereții și alte aplicații să aibă o rezistență generală îmbunătățită, în special pentru condițiile de forfecare ridicată, care se regăsesc în expunerile seismice și de vânt. Dacă îmbunătățirile preconizate ale proprietăților mecanice confirmă, limitele tradiționale văzute pe suprafețele de geam din codurile de astăzi ale clădirii ar putea deveni rapid depășite dacă suprafața ferestrei contribuie efectiv la rezistența la forfecare a peretelui.

Materialele transparente în infraroșu disponibile în prezent prezintă în mod tipic un compromis între performanța optică, rezistența mecanică și preț. De exemplu, safirul (alumina cristalină) este foarte puternic, dar este costisitor și nu are o transparență completă pe întreaga gamă de infraroșu de 3-5 micrometri. Ytriul este complet transparent de la 3-5 micrometri, dar nu are rezistență suficientă, duritate și rezistență la șoc termic pentru aplicațiile aerospațiale de înaltă performanță. Nu este surprinzător că o combinație a acestor două materiale sub formă de granat de ytriu din aluminiu (YAG) este unul dintre cei mai de seamă performanți din domeniu.

Transparența în izolatori

Un obiect poate să nu fie transparent fie pentru că reflectă lumina care intră, fie pentru că absoarbe lumina care intră. Aproape toate solidele reflectă o parte și absorb o parte din lumina care intră.

Când lumina cade pe un bloc de metal, el întâlnește atomi care sunt împachetați bine într-o rețea obișnuită și o „mare de electroni” care se mișcă aleatoriu între atomi. În metale, cei mai mulți dintre electroni sunt electroni nelegați (sau electroni liberi), spre deosebire de electronii de legătură, care se găsesc în mod tipic în solide ne-metalice (izolate) cu legături covalente sau ionice. Într-o legătură metalică, orice electroni de legătură potențiali pot fi cu ușurință pierduți de atomi într-o structură cristalină. Efectul acestei delocalizări este pur și simplu de a exagera efectul „mării de electroni”. Ca urmare a acestor electroni, cea mai mare parte a luminii de intrare din metale este reflectata înapoi, motiv pentru care vedem o suprafață metalică lucioasă.

Cele mai multe izolatoare (sau materiale dielectrice) sunt ținute împreună prin legături ionice. Astfel, aceste materiale nu au electroni de conducție liberi, iar electronii de legătură reflectă doar o mică parte din unda incidentă. Frecvențele rămase (sau lungimile de undă) sunt libere să se propageze (sau să fie transmise). Această clasă de materiale include toate ceramicele și sticlele.

Dacă un material dielectric nu include molecule aditive absorbante de lumină (pigmenți, vopseluri, coloranți), este de obicei transparent pentru spectrul luminii vizibile. Centrele de culoare (sau moleculele colorante sau „dopanții”) într-un dielectric absorb o porțiune a luminii care intră. Frecvențele rămase (sau lungimile de undă) sunt libere să fie reflectate sau transmise. Acesta este modul în care se produce sticla colorată.

Cele mai multe lichide și soluții apoase sunt foarte transparente. De exemplu, apa, uleiul de gătit, alcoolul, aerul și gazele naturale sunt clare. Absența defectelor structurale (goluri, crăpături etc.) și structura moleculară a majorității lichidelor sunt în principal responsabile de transmisia lor optică excelentă. Abilitatea lichidelor de a „trata” defectele interne prin fluxul vâscos este unul dintre motivele pentru care unele materiale fibroase (de exemplu, hârtie sau țesătură) își sporesc transparența aparentă când sunt umectate. Lichidul umple numeroase goluri, făcând materialul mai omogen din punct de vedere structural.

Lipsa de dispersie a luminii într-un solid cristalin (non-metalic) fără defecte care nu oferă centre de dispersie pentru lumina care intră se va datora în primul rând oricărui efect al anarmonicii în cadrul rețelei ordonate. Transmisia de lumină va fi foarte direcționată datorită anizotropiei tipice a substanțelor cristaline, care include grupul lor de simetrie și rețeaua Bravais. De exemplu, cele șapte forme cristaline diferite de silice de cuarț (dioxid de siliciu, SiO2) sunt toate materiale clare, transparente.

Camuflaje

(Multe animale din mării, precum această meduză Aurelia labiata, sunt în mare măsură transparente.)

Multe animale marine care plutesc aproape de suprafață sunt foarte transparente, oferindu-le camuflajul aproape perfect. Cu toate acestea, transparența este dificilă pentru corpurile realizate din materiale care au indici de refracție diferiți de apa de mare. Unele animale marine, cum ar fi meduzele, au corpuri gelatinoase, compuse în principal din apă; mezogulele lor groase sunt acelulare și foarte transparente. Acest lucru le face în mod obișnuit să plutească, dar le face și mari pentru masa musculară, astfel încât acestea nu pot înota rapid, făcând din această formă de camuflaj un compromis costisitor pentru mobilitate. Animalele planctonice gelatinoase sunt transparente între 50 și 90%. O transparență de 50% este suficientă pentru a face un animal invizibil unui prădător cum ar fi codul la o adâncime de 650 de metri; o mai mare transparență este necesară pentru invizibilitatea în apa mai puțin adâncă, unde lumina este mai strălucitoare și prădătorii pot vedea mai bine. De exemplu, un cod poate vedea prada care este transparentă în proporție de 98% în iluminatul optim în apă puțin adâncă. Prin urmare, transparența suficientă pentru camuflaj este realizată mai ușor în apele mai adânci. Din același motiv, transparența în aer este chiar mai greu de realizat, dar un exemplu parțial se găsește la broaștele de sticlă ale pădurii tropicale din America de Sud, care au piele translucidă și membrele verzui palide. Mai multe specii din America Centrală de fluturi (ithomiine) și multe libelule și insecte înrudite au de asemenea aripi care sunt în mare parte transparente, o formă de cripsă care oferă o anumită protecție împotriva prădătorilor.