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 SiO_2, 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.