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Glas

Glas ist ein amorpher (nicht kristalliner) Feststoff. Gläser sind typischerweise spröde und optisch transparent. Die bekannteste Glasart, die seit Jahrhunderten in Fenstern und Trinkgefäßen verwendet wird, ist Natron-Kalk-Glas, bestehend aus etwa 75 % Kieselsäure (SiO ₂ ) unter Zusatz von Natriumoxid (Na ₂ O) aus Sodaasche, Kalk (CaO ) und mehrere geringfügige Zusatzstoffe.

Optische Eigenschaften

Glas wird weit verbreitet verwendet, hauptsächlich aufgrund der Herstellung von Glaszusammensetzungen, die für sichtbare Lichtwellenlängen transparent sind. Im Gegensatz dazu lassen polykristalline Materialien im Allgemeinen kein sichtbares Licht durch. Die einzelnen Kristallite können transparent sein, aber ihre Facetten (Korngrenzen) reflektieren oder streuen Licht, was zu einer diffusen Reflexion führt. Glas enthält nicht die internen Unterteilungen, die mit Korngrenzen in Polykristallen verbunden sind, daher streut es Licht nicht auf die gleiche Weise wie ein polykristallines Material. Die Oberfläche eines Glases ist oft glatt – während der Glasbildung werden die Moleküle der unterkühlten Flüssigkeit nicht gezwungen, sich in starren Kristallgeometrien anzuordnen. Die Moleküle können der Oberflächenspannung folgen, was zu einer mikroskopisch glatten Oberfläche führt. Diese Eigenschaften, die dem Glas seine Klarheit verleihen, können auch bei teilweise lichtabsorbierendem oder farbigem Glas erhalten bleiben.

Glas hat die Fähigkeit, Licht gemäß den Prinzipien der geometrischen Optik zu brechen, zu reflektieren und zu übertragen. Übliches Glas hat einen Brechungsindex von 1,5. Gemäß den Fresnel-Gleichungen beträgt das Reflexionsvermögen (die Lichtmenge, die von der Luft-Glas-Grenzfläche reflektiert wird) einer Glasscheibe etwa 4 % pro Oberfläche (bei normalem Einfall in Luft). Das bedeutet, dass die Lichtmenge, die durch eine Glasoberfläche durchgelassen wird (die Durchlässigkeit), 96 % beträgt. Die Durchlässigkeit eines Glaselements mit zwei Oberflächen beträgt etwa 92 %.

Glas findet auch Anwendung in der Optoelektronik für lichtübertragende optische Fasern.

Farbe

Farbe in Glas kann durch Zugabe von elektrisch geladenen Ionen, die homogen verteilt sind, oder durch Ausfällen fein dispergierter Partikel (z. B. in photochromen Gläsern) erzielt werden. Gewöhnliches Kalk-Natron-Glas erscheint mit bloßem Auge farblos, wenn es dünn ist, obwohl Eisen(II)-oxid (FeO)-Verunreinigungen von bis zu 0,1 Gew.-% einen grünen Farbton erzeugen. Dies wird in dicken Stücken oder mit Hilfe von wissenschaftlichen Instrumenten gesehen. Mangandioxid kann in geringen Mengen zugesetzt werden, um den durch Eisen(II)-oxid verursachten Grünstich zu entfernen. FeO- und Cr ₂ O ₃ -Zusätze können zur Herstellung grüner Flaschen verwendet werden. Schwefel wird zusammen mit Kohlenstoff- und Eisensalzen verwendet, um Eisenpolysulfide zu bilden und bernsteinfarbenes Glas herzustellen, das von gelblich bis fast schwarz reicht. Eine Glasschmelze kann auch durch eine reduzierende Verbrennungsatmosphäre eine Bernsteinfarbe annehmen.

Bei der Verwendung in Kunstglas oder Studioglas wird Glas nach streng gehüteten Rezepten gefärbt, die bestimmte Kombinationen von Metalloxiden, Schmelztemperaturen und „Kochzeiten“ beinhalten. Das meiste farbige Glas, das auf dem Kunstmarkt verwendet wird, wird in großen Mengen von Anbietern hergestellt, obwohl es einige Glashersteller gibt, die in der Lage sind, ihre eigene Farbe aus Rohstoffen herzustellen.

Quarz

Quarz ist ein reichlich vorkommendes Mineral in der kontinentalen Kruste der Erde. Es besteht aus einem kontinuierlichen Gerüst aus SiO₄Silizium-Sauerstoff-Tetraedern. Jedes Sauerstoffatom wird von zwei Tetraedern geteilt, was eine Gesamtformel von SiO ₂ ergibt. Es gibt viele verschiedene Arten von Quarz, von denen einige Halbedelsteine sind.

Physikalische Eigenschaften

Aufgrund seiner Fülle und hohen thermischen und chemischen Stabilität wird Quarz in vielen großtechnischen Anwendungen eingesetzt – Schleifmittel, Gießereimaterialien, Keramik und Zement. Quarzkristalle haben piezoelektrische Eigenschaften. Piezoelektrizität ist die Fähigkeit, bei Anwendung mechanischer Spannung ein elektrisches Potential aufzubauen. Eine frühe Verwendung dieser Eigenschaft von Quarzkristallen war in Phonographen-Tonabnehmern, bei denen die mechanische Bewegung des Stifts in der Rille eine proportionale elektrische Spannung erzeugt, indem innerhalb eines Kristalls Spannungen erzeugt werden.

Heute ist ein Kristalloszillator eine übliche piezoelektrische Verwendung für Quarz: Die Schwingungsfrequenz des Kristalls wird verwendet, um ein elektrisches Signal mit sehr präziser Frequenz zu erzeugen. Dies wird in vielen modernen elektronischen Geräten (Armbanduhren, Uhren, Radios, Computern, Mobiltelefonen) verwendet, um die Zeit im Auge zu behalten oder ein stabiles Taktsignal für digitale Schaltungen bereitzustellen.

Farbe

Reiner Quarz, traditionell Bergkristall genannt (manchmal auch als klarer Quarz bezeichnet), ist farblos und transparent oder durchscheinend. Häufige farbige Sorten sind Citrin, Rosenquarz, Amethyst, Rauchquarz und Milchquarz.

Die kryptokristallinen Sorten (unter dem Mikroskop kaum sichtbare Kristalle) sind entweder durchscheinend oder größtenteils undurchsichtig, während die transparenten Sorten eher makrokristallin sind (große Kristalle, die durch Sehen erkennbar sind). Chalcedon ist eine kryptokristalline Form von Kieselsäure, die aus feinen Verwachsungen von Quarz und seinem monoklinen Polymorph Moganit besteht. Andere undurchsichtige Edelsteinsorten von Quarz – oder gemischte Gesteine einschließlich Quarz – enthalten oft kontrastierende Bänder oder Farbmuster. Dazu gehören Achat, Onyx, Karneol und Jaspis.