Евгений
я могу немалое
Хочешь быть счастливым - будь им!
Евгений Федоров
Все записи
текст

Промежуточное вещество

Кремний и кислород – два самых распространенных элемента земной коры –  образуют вещество, «застрявшее» между кристаллическими телами и жидкостями. Это стекло, парадоксальное творение природы, доведенное человечеством до совершенства.

 

В центре футбольного поля (атома) находится горошина (ядро), а на трибунах лежат песчинки (электроны). Это традиционная школьная метафора из курса физики-химии, создающая у всех впечатление пустоты атома – в нем почти ничего нет. Это недалеко от истины, но свет проходить сквозь атом не может. Дело в электронах-песчинках...

Кремний и кислород – два самых распространенных элемента земной коры –  образуют вещество, «застрявшее» между кристаллическими телами и жидкостями. Это стекло, парадоксальное творение природы, доведенное человечеством до совершенства.

 

В центре футбольного поля (атома) находится горошина (ядро), а на трибунах лежат песчинки (электроны). Это традиционная школьная метафора из курса физики-химии, создающая у всех впечатление пустоты атома – в нем почти ничего нет. Это недалеко от истины, но свет проходить сквозь атом не может. Дело в электронах-песчинках, которые, в соответствии с канонами квантовой механики, пользуются энергией света для перемещения вверх по трибунам (энергетическим уровням). В итоге энергия фотонов поглощается, и вещество, состоящее из подобных атомов, становится видимым человеческому глазу.  Правда, видим мы в очень узком диапазоне – от красного до фиолетового, и этим пользуется стекло.

 

«Химический центр» стекла – оксид кремния SiO2 – отличается пассивным отношением к диапазону, видимому нашим глазом. Энергии света не хватает, чтобы перебросить электрон на вышестоящий уровень, что позволяет фотону свободно проскользнуть сквозь атом. Такова физико-химическая основа стеклянной невидимости. Но и фотоны не так просты – они хоть и летят в вакууме со скоростью 299 792 458 м/с, а вот колеблются каждый по-своему. Вернемся к школьному курсу и вспомним страшное словосочетание «корпускулярно-волновой дуализм», в соответствии с которым фотон является и частицей, и волной одновременно. И вот именно частота фотона-волны позволяет их дифференцировать по энергии. Если колеблешься часто, то энергия большая, значит, можно переводить в разряд ультрафиолетового излучения, которое уже может справиться со стеклом и сделать его видимым. Энергия УФ-излучения с ювелирной точностью подходит для переноса «стеклянного» электрона на следующий энергетический уровень, из-за чего прозрачное вещество становится абсолютно черным. Правда, уже не для человеческого глаза. Сложность и занимательность стекла в том, что следующее по энергетической значимости излучение – рентгеновское – снова свободно проходит сквозь материал. Получается, сделать стекло видимым может фотон строго определенной энергии, все остальные свободно проникают внутрь. Такая ситуация характерна для всех веществ, отличия только в «диапазоне невидимости». А стеклу не повезло – оно прозрачно для нашего глаза.

Прозрачные материалы уникальны способностью не только пропускать свет, но и «притормаживать» фотоны, снижая их скорость, которую те снова набирают, выходя на свободу. Когда части луча падают на стекло под углом, то и на свободу они выходят в разное время и с разной скоростью. На этом основан эффект преломления света, применяемый в оптических линзах: из-за кривизны стекла свет, падающий на линзу в разных местах, преломляется под разными углами. Стекло позволило нам открыть новые грани управления светом: создать телескопы, микроскопы и корректирующие очки. 

 


На этом особенности прозрачного материала не заканчиваются. Кварц (SiO2), главный фигурант «стеклянного дела», обладает кристаллической решеткой, собранной по всем правилам науки. Но если его расплавить, то при остывании молекулы не встанут в свой обычный порядок! Они словно не могут вспомнить, кто с кем и за кем расположен. И все это из-за быстрого остывания жидкого кварца – у молекул просто не хватает времени организовать прочную кристаллическую решетку. В итоге материал остается жидким по структуре, но твердым по свойствам – как раз между аморфными и кристаллическими веществами. Это общепринятое уже утверждение в 2002 году первым высказал Стивен Хокс с химфака университета Орегона: «Стекло – это жесткое твердое тело, обладающее пониженной степенью молекулярной упорядоченности и соответственно более высокой энтропией, чем кристалл, но более высоким порядком (меньшей энтропией), чем жидкость».

 

На старых стеклянных изделиях можно наблюдать белесые непрозрачные пятна – следствие медленного химического процесса расстекловывания. Пары воды и углекислый газ образуют на поверхности непрозрачный гидратированный диоксид кремния SiO2, обладающий кристаллической структурой. Стекло превращается обратно в кристалл, правда, потребуется для этого 106–107 лет. Пытливые умы инженеров почувствовали благодатную почву для разработки принципиально нового материала. А что если ускорить процесс расстекловывания? Это оказалось возможным, и с 1950-х годов мы имеем целую отрасль по производству стеклокерамики, или ситаллов. Прочность и непрозрачность отличает этот кристаллический материал от классического стекла. Обычно микродефекты, которыми изобилует поверхность стекла, при ударе приводят к разрушению – в этом вся сущность стеклянной хрупкости. В ситалле же минимальное разрушение наталкивается на непоколебимую кристаллическую решетку и остается в статусе микротрещины. Такое кристаллическое стекло стало основой медицинских протезов и зубных имплантатов.



 

Хотя мы и говорим о природном происхождении стекла, никто не слышал о стеклянных месторождениях. Но они существуют – обсидиан, или вулканическое стекло, на 66–77% состоящее из SiO2, миллионы лет лежит в земле. А более редкий стеклянный артефакт – наверное, фульгурит. Это продукт стечения двух обстоятельств: молнии и песка, которые, встречаясь, образуют длинные полые стеклянные стержни. Температура молнии – более 10 000 °С, и это не просто превращает песок в стекло, а испаряет внутренности фульгурита. Цвет этого стержня варьируется от грязно-черного до почти прозрачного, все зависит от исходного материала.

Пустынные участки чистого беспримесного кварцевого песка могут содержать в себе редчайшие экземпляры ливийского стекла, имеющего внеземное происхождение. Но ответственность за его появление несут не пришельцы, а кометы и метеориты. В 1996 году в Ливийской пустыне был обнаружен стеклянный 30-граммовый камень «Гипатия» – фрагмент космического тела, взорвавшегося над Сахарой 28 млн лет назад. На это указывает соотношение кислорода и углерода, а также изотопы аргона, не встречающиеся на нашей планете. Подобная находка (чуть моложе – 26 млн лет) заинтересовала ювелиров Древнего Египта, и в нагрудном украшении для Тутанхамона они выполнили священного жука-скоробея из ливийского стекла. Аналогичные артефакты земного происхождения можно было найти после испытаний ядерного оружия на полигоне «Белые пески» в штате Невада.

 

Непрерывное усовершенствование стекла началось по инициативе древних римлян, открывших эффект флюса. К кварцевому песку они досыпали углекислый натрий (NaHCO3), что резко снизило температуру плавления исходной шихты и удешевило производство прозрачного материала. С этого началось победное шествие стекла по свету: первые стеклянные окна, дешевые и качественные зеркала, стеклодувное дело. До римлян расплавленное стекло выливали в заранее приготовленные формы, что вполне подходило для несложной домашней утвари. Но для ваяния произведений искусства пришлось вдувать воздух в раскаленное стекло. Как результат, напитки приобрели новые, ранее незаметные свойства: цвет и прозрачность. Изысканные тончайшие бокалы позволяли получать от вина эстетическое удовольствие, что, безусловно, повлияло на технологию производства. В угоду публике серьезно изменился и еще один хмельной напиток – пиво. Когда в конце XIX века стекло значительно подешевело, в пивных массово стали появляться прозрачные стаканы. Люди во всей красе увидели, что им предлагают, и это им не понравилось – мутное темное варево верхового брожения совсем не располагало к возлияниям. Так появился лагер низового брожения, ставший эталоном пива: золотистый, прозрачный и восхитительно пенящийся.



Свежевыплавленное стекло нельзя охлаждать даже в атмосферных условиях – необходим длительный процесс управляемого отжига в специальных печах. В них температура в течение нескольких часов медленно снижается, делая материал более предсказуемым. Мельчайшие царапины и трещины на будущем оконном стекле также опасны, они могут стать причиной разрушения. И тут на помощь приходит химия со смесью плавиковой и серной кислоты, в которую опускают стекло. Силикаты переходят в раствор в виде фторсиликатов, и материал «успокаивается». Такое химическое травление можно заменить/дополнить погружением в расплав калийной селитры (KNO3). Ионы натрия из стекла замещаются более крупными ионами калия, что делает вещество прочнее.

Во второй половине XIX столетия появляется промышленно закаленное стекло по рецепту итальянца де ла Басти. Он предложил смесь жира и масла нагреть до температуры 200–300 °С и опустить в нее раскаленное докрасна стеклянное изделие. Так зародилась управляемая закалка, придающая стеклу уникальные способности – устойчивость к перепадам температур до 270 °С и пятикратное увеличение прочности на изгиб в сравнении с обычным отожженным стеклом. Такой «небьющийся» материал стал основой остекления поездов, самолетов, автомобилей. В случае запредельных нагрузок материал разрушается, не создавая острых осколков: просто рассыпается на мелкие кубики.

«Стеклянным чародеем» XX века, безусловно, стал сэр Аластер Пилкингтон, создавший в 1952 году ровное оконное стекло с неискажающей видимостью. В его основе лежит флоат-процесс (float process – плавающая лента), в ходе которого жидкое стекло температурой около 1000 °С выливается в ванну с расплавленным оловом. Стекло растекается по олову, образуя идеально гладкие поверхности, которые мы можем наблюдать в любом оконном проеме. Далее лист стекла протягивается по флоат-линии, охлаждается, отжигается и нарезается. Такая линия способна в год производить до 6000 км стекла. Понимаете, откуда растут стеклянные небоскребы?


 

Ключевая идея стекла – аддитивность: его свойства являются суммой свойств его компонентов. Человек искусно пользуется этим, вводя в исходную шихту различные вещества, чаще всего оксиды. Столетия экспериментов по типу «а что если» привели к великому разнообразию современных стекол. Оксид бора B2O3 препятствует расширению стекла при нагревании и сжатию при растяжении. Химия, как ни одна другая наука, обязана боросиликатному стеклу – из него изготавливается вся лабораторная посуда. Оксид стронция SrO во многом стал нашим проводником в эру телевидения, в составе электроннолучевых трубок старых телевизоров делая стекло непрозрачным для рентгеновского излучения (оно возникает в месте удара электронного луча о стекло). Оксид урана U3O8 придает стеклу желто-зеленый цвет в УФ-лучах вкупе с радиоактивным излучением. Соединения кислорода с медью и никелем (CuO, Cu2O и NiO) позволяют окрасить стекло в красный, синий, фиолетовый или коричневый цвет. Знаменитое стекло «красный рубин» обязано цветом золоту, растворенному в «царской водке» (смесь соляной HCl и азотной HNO3 кислот). Стекло можно научить избирательно пропускать свет, затемняясь при ультрафиолетовом излучении солнца и просветляясь при искусственном освещении. В такие фотохромные стекла вводятся галогениды тяжелых металлов (чаще хлориды серебра AgCl или меди СuCl2), которые подвергаются на свету обратимому фотолизу (разложению). Тонированные на солнце стекла темнеют за счет образования ионов Ag+ или Cu+2, в тени же они снова превращаются в прозрачные галогениды. Человек научился проводить реакции внутри стекла!

 

На острие стеклянного прогресса – технология Gorilla Glass образца 2005 года: это закаленное химическим способом алюмосиликатное стекло, из которого, скорее всего, состоит экран и вашего смартфона. Основное преимущество этого материала в твердости и прочности, что позволяет проектировать дисплеи очень тонкими, до 0,4 мм. Компания Ford недавно анонсировала использование технологий Gorilla Glass в перспективном спорткаре GT. Новый тонкий и прочный материал позволит сэкономить на остеклении автомобиля несколько килограммов – важный момент в борьбе с выбросами.



Повальное увлечение 3D-технологиями не обошло и стекольную отрасль. В 2015 году сотрудники Массачусетского технологического института предложили 3DP (Glass 3D Printing) – печать стеклянных изделий на принтере. Устроили все в соответствии с канонами стекловарения: две камеры 3D-принтера, одна – для непосредственной печати жидким стеклом, а вторая – отжигающая, для снятия внутреннего напряжения. Интересно, что в процессе экструдирования 1000-градусного стекла в него можно гибко вводить примеси. То есть ваза из такого принтера может быть снизу боросиликатной, в центре рубиново-красной, а сверху – фотохромной.

 

Появившись более 4,5 тыс. лет назад, стекло во многом сформировало человека таким, каков он сейчас, но мы не отплатили ему благодарностью. Дерево, чугун, камень воспеты в веках, а стекло так и осталось невидимым промежуточным веществом вне нашей системы ценностей.

Читать эту статью в онлайн версии журнала "ММ": 

http://www.21mm.ru/?mag=131#096

Всего 0 комментариев
Комментарии
OK OK OK OK OK OK OK
Яндекс.Метрика