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Jetzt siehst du es, jetzt siehst du es nicht. Glas ist ein bisschen ein Rätsel. Es ist schwer genug, uns zu schützen, aber es zerbricht mit unglaublicher Leichtigkeit. Es besteht aus undurchsichtigem Sand und ist dennoch völlig transparent. Und, vielleicht am überraschendsten von allen, es verhält sich wie ein festes Material… aber es ist auch eine Art seltsame Flüssigkeit in Verkleidung! Sie können Glas finden, wohin Sie auch schauen: Die meisten Räume in Ihrem Haus haben ein Glasfenster und, wenn nicht das, vielleicht einen Glasspiegel … oder eine Glasglühbirne. Glas ist eines der ältesten und vielseitigsten von Menschen geschaffenen Materialien der Welt. Lassen Sie uns mehr darüber erfahren.

Was ist Glas?

Foto: Glas kann verwendet werden, um andere Materialien zu recyceln. Uranglas hat eine ungewöhnliche gelb-grüne Farbe und leuchtet im ultravioletten Licht. Diese Glasstücke wurden aus Alturan aus der Reinigung der Uranverarbeitungsanlage Fernald in der Nähe von Cincinnati, Ohio, USA, hergestellt. Die Verglasung (Umwandlung eines Materials in Glas) ist eine Möglichkeit, Atommüll sicher zu entsorgen. Bild mit freundlicher Genehmigung des US-Energieministeriums.

Ob Sie es glauben oder nicht, Glas besteht aus flüssigem Sand. Sie können Glas herstellen, indem Sie gewöhnlichen Sand (der hauptsächlich aus Siliziumdioxid besteht) erhitzen, bis er schmilzt und sich in eine Flüssigkeit verwandelt. Sie werden das an Ihrem lokalen Strand nicht finden: Sand schmilzt bei der unglaublich hohen Temperatur von 1700 ° C (3090 ° F).

Wenn geschmolzener Sand abkühlt, verwandelt er sich nicht wieder in das kiesige gelbe Zeug, mit dem Sie angefangen haben: Es durchläuft eine vollständige Transformation und erhält eine völlig andere innere Struktur. Aber es spielt keine Rolle, wie stark Sie den Sand abkühlen, er setzt nie ganz zu einem Feststoff fest. Stattdessen wird es zu einer Art gefrorener Flüssigkeit oder zu dem, was Materialwissenschaftler als amorphen Feststoff bezeichnen. Es ist wie eine Kreuzung zwischen einem Feststoff und einer Flüssigkeit mit einem Teil der kristallinen Ordnung eines Festkörpers und einem Teil der molekularen Zufälligkeit einer Flüssigkeit.

Glas ist ein so beliebtes Material in unseren Häusern, weil es alle Arten von wirklich nützlichen Eigenschaften hat. Abgesehen davon, dass es transparent ist, ist es kostengünstig herzustellen, einfach zu formen, wenn es geschmolzen ist, einigermaßen hitzebeständig, wenn es eingestellt ist, chemisch inert (so dass ein Glasgefäß nicht mit den Dingen reagiert, die Sie hineinlegen), und es kann beliebig oft recycelt werden.

Wie wird Glas hergestellt?

Kunstwerk: Glasherstellung vereinfacht: Mischen und erhitzen Sie Sand und recyceltes Glas mit Calciumcarbonat und Natriumcarbonat.

Als US-Wissenschaftler 1945 in der Wüste von New Mexico einen Prototyp der Atombombe testeten, verwandelte die Explosion den Sand in der unmittelbaren Umgebung des Einschlags in Glas. Glücklicherweise gibt es einfachere und weniger extreme Möglichkeiten, Glas herzustellen – aber alle benötigen immense Mengen an Wärme.

In einer kommerziellen Glasanlage wird Sand mit Altglas (aus Recyclingsammlungen), Soda (Natriumcarbonat) und Kalkstein (Calciumcarbonat) gemischt und in einem Ofen erhitzt. Das Soda reduziert den Schmelzpunkt des Sandes, was hilft, Energie während der Herstellung zu sparen, aber es hat einen unglücklichen Nachteil: Es produziert eine Art Glas, das sich in Wasser auflösen würde! Der Kalkstein wird hinzugefügt, um das zu verhindern. Das Endprodukt heißt Soda-Kalk-Silica-Glas. Es ist das gewöhnliche Glas, das wir überall um uns herum sehen können.

Foto: Borosilikatglas, wie dieses PYREX® Krug (rückseite), kann extremen Temperaturschwankungen standhalten, im Gegensatz zu normalem Glas (vorne), das zerbricht. Das gewöhnliche Glasgefäß an der Vorderseite ist um einiges dünner und wesentlich leichter. Sie können auch sehr deutlich sehen, dass das Borosilikatglas eine leicht bläuliche Farbe hat (ebenso wie das Boroxid, aus dem es hergestellt wird).

Sobald der Sand geschmolzen ist, wird er entweder in Formen gegossen, um Flaschen, Gläser und andere Behälter herzustellen, oder „geschwommen“ (auf einen großen Bottich mit geschmolzenem Zinnmetall gegossen), um perfekt flache Glasscheiben für Fenster herzustellen. Ungewöhnliche Glasbehälter werden manchmal noch durch „Blasen“ hergestellt. Ein „Gob“ (Klumpen) aus geschmolzenem Glas wird um ein offenes Rohr gewickelt, das langsam gedreht wird. Luft wird durch das offene Ende des Rohres geblasen, wodurch das Glas wie ein Ballon explodiert. Mit geschicktem Blasen und Drehen können alle Arten von erstaunlichen Formen hergestellt werden.

Glashersteller verwenden einen etwas anderen Prozess, abhängig von der Art des Glases, das sie herstellen möchten. Normalerweise werden andere Chemikalien hinzugefügt, um das Aussehen oder die Eigenschaften des fertigen Glases zu verändern. Zum Beispiel werden dem geschmolzenen Sand Chemikalien auf Eisen- und Chrombasis zugesetzt, um grün getöntes Glas herzustellen. Ofenfestes Borosilikatglas (weit verbreitet unter der Marke PYREX®) wird durch Zugabe von Boroxid zur geschmolzenen Mischung hergestellt. Die Zugabe von Bleioxid ergibt ein feines Kristallglas, das leichter geschnitten werden kann; Hochgeschätzter geschliffener Bleikristall funkelt mit Farbe, während er das durch ihn hindurchströmende Licht bricht (biegt). Einige spezielle Glasarten werden durch ein anderes Herstellungsverfahren hergestellt. Bulletproof Glass besteht aus einem Sandwich oder Laminat aus mehreren Glas- und Kunststoffschichten, die miteinander verbunden sind. Gehärtetes Glas, das in Autowindschutzscheiben verwendet wird, wird hergestellt, indem geschmolzenes Glas sehr schnell abgekühlt wird, um es viel härter zu machen. Gebeiztes (farbiges) Glas wird hergestellt, indem metallische Verbindungen zu Glas hinzugefügt werden, während es geschmolzen wird; verschiedene Metalle geben den einzelnen Glassegmenten ihre unterschiedlichen Farben.

Ist Glas ein solides… oder eine Flüssigkeit?

Kunstwerk: Oben: In einem normalen kristallinen Festkörper sind die Atome ordentlich und vorhersehbar angeordnet. Unten: In einem amorphen Festkörper wie Glas ist die Anordnung viel zufälliger.

Das ist eine sehr interessante Frage.

Die Antwort ist beides – und keines von beiden! Es gibt sehr unterschiedliche Meinungen darüber, wie man sich auf Materialien wie Glas bezieht, die in mancher Hinsicht ein bisschen wie Flüssigkeiten und in anderen ein bisschen wie Feststoffe zu sein scheinen.

In Schulen und in Büchern neigen wir dazu zu lernen, dass Festkörper alle eine feste Struktur von Atomen haben.

Tatsächlich gibt es verschiedene Arten von Festkörpern, die sehr unterschiedliche Strukturen haben, und nicht alles, was wir als „fest“ beschreiben, verhält sich genau gleich. Denken Sie an einen Klumpen Eisen und einen Klumpen Gummi. Ganz klar sind sie beide Feststoffe, und doch unterscheidet sich der Gummi sehr vom Eisen. Im Inneren haben Gummi und Eisen ihre Atome (im Falle von Eisen) und Moleküle (im Falle von

B. Gummi) auf völlig unterschiedliche Weise angeordnet. Eisen hat eine regelmäßige oder kristalline Struktur (wie ein Klettergerüst mit Atomen an den Ecken), während Gummi ein Polymer ist (hergestellt aus langen Ketten von Molekülen, die lose miteinander verbunden sind). Oder denken Sie an Wasser. Wie Sie vielleicht entdeckt haben, ist Wasser ein fast einzigartiger Feststoff, da es sich zunächst ausdehnt, wenn es gefriert. Kurz gesagt, nicht alles passt genau in unsere Vorstellungen von Feststoff, Flüssigkeit und Gas und nicht alle Feststoffe, Flüssigkeiten und Gase verhalten sich auf eine schöne, ordentliche, leicht zu erklärende Weise. Die Ausnahmen sind die Dinge, die die Wissenschaft wirklich interessant machen!

Amorphe Festkörper

Kehren wir zum Glas zurück. Schauen Sie durch ein Mikroskop in etwas Glas und Sie werden feststellen, dass die Moleküle, aus denen es besteht, in einem unregelmäßigen Muster angeordnet sind. Deshalb wird Glas manchmal als amorpher Feststoff bezeichnet (ein Festkörper ohne die regelmäßige kristalline Struktur, die so etwas wie ein Metall haben würde). Sie können auch Sehen, dass Glas als „gefrorene unterkühlte Flüssigkeit“ beschrieben wird. Dies ist eine andere Art zu sagen: „Glas ist eine Flüssigkeit, die noch nie eingestellt hat“, was die rätselhafte Aussage ist, die Sie manchmal in wissenschaftlichen Büchern finden. Wir könnten sagen, Glas ist ein bisschen wie eine Flüssigkeit und ein bisschen wie ein Feststoff. Es hat eine innere Struktur, die irgendwo zwischen der Struktur einer Flüssigkeit und einem Feststoff liegt, mit einem Teil der Ordnung eines Feststoffs und einem Teil der Zufälligkeit einer Flüssigkeit.

Glas ist keineswegs der einzige amorphe Feststoff. Es ist möglich, eine Art von Wasser namens amorphes Eis herzustellen, das als zwischen fest (Wasser) und flüssig (Eis) beschrieben werden könnte. Sie tun dies, indem Sie Wasser sehr schnell kühlen. Das Eis bildet sich so schnell, dass es keine Zeit hat, seine normale, kristalline Struktur aufzubauen. Was Sie also bekommen, sieht aus wie Eis, verhält sich aber in gewisser Weise wie flüssiges Wasser. Auch andere Substanzen können zu amorphen Feststoffen verarbeitet werden. Solarzellen werden oft aus etwas hergestellt, das als amorphes Silizium bezeichnet wird.

Wofür verwenden wir Glas?

Glas beginnt Ihren Tag mit einem Funkeln: ein Blick auf Ihre Uhr, ein Blick durch die Glasur auf die Sonne oder den Regen, ein Stirnrunzeln im Spiegel, ein Lied aus der Dusche, während Sie sich mit Wasser waschen, das warm von den Sonnenkollektoren auf dem Dach heruntertropft. Gläser packen den Frühstückstisch, der selbst aus Räucherglas bestehen könnte, und es gibt Flaschen und Gläser in allen Formen und Farben. Wenn Sie das Frühstück in Ihrer Küche zubereiten, verwenden Sie möglicherweise ein Glaskeramikkochfeld oder eine Mikrowelle mit einem mit Metall ausgekleideten Fenster, um die Wellen im Inneren zu halten. Vielleicht schauen Sie Croissants warm durch die Pyrex-Ofentür? (Und ist das eine gläserne Teekanne?)

Wenn Sie Ihre E-Mails während des Frühstücks abrufen (schlechte Angewohnheit), gelangen Internetdaten mit Lichtgeschwindigkeit über Glasfasern zu Ihnen nach Hause, genauso wie Sonnenlicht durch die wärmereflektierenden Fenster strömt, die Sie kühl halten. Sie lesen die Wörter durch das Glas-LCD-Panel Ihres Laptops oder das gehärtete Gorilla-Glas Ihres Smartphones, die beide durch Sonnenenergie aus Photovoltaik-Modulen auf dem Dach aufgeladen werden. Sprechende Köpfe murmeln Sie durch den Fernsehbildschirm in der Ecke an.

Dann machst du dich auf den Weg zur Arbeit oder zur Schule, in einem mit Glas umwickelten Auto, Bus, Zug (vielleicht sogar Hubschrauber), gebeugt unter niedrigenergetischen Lampen, die mit Glas bedeckt sind, damit sie halten. Wenn Sie fahren, könnte die Autobahn, die Sie hinunterbrausen, aus Zuschlagstoffen und Asphalt einschließlich recyceltem Glas bestehen. Sogar die weißen Streifen in der Mitte verwenden winzige Glasperlen, um sie in Ihren Scheinwerfern zum Leuchten zu bringen. Vielleicht fallen Sie unterwegs in die Bank oder die Post und lächeln die Kassiererin hinter ihrem kugelsicheren Fenster an, während Sie eine schnelle Kopie Ihres Führerscheins machen (den Sie achtlos auf der Glasplatte des Kopierers zurücklassen).

Foto: Glas bringt die Außenwelt herein! Dies ist die wunderbare Wayfarers Chapel in Rancho Palos Verdes, Kalifornien, entworfen von Lloyd Wright (Sohn von Frank Lloyd Wright). Bild aus der Jon B. Lovelace Collection of California Photographs in Carol M. Highsmith’s America Project, Library of Congress, Prints and Photographs Division.

Wenn es sich um ein modernes Gebäude handelt, könnte Ihr Büro oder Ihre Schule eine Mini-Glaskathedrale sein. Wir denken an Glas als spröde und zerbrechlich, aber härten Sie es auf die richtige Weise und Sie können Wände, Böden, Dächer und Treppen daraus machen; Geschäfte zeigen ihre Waren durch riesige, laminierte Platten, perfekt poliert.

Und das ist nur eine winzige Auswahl der Dinge, die Glas für uns tut. Es gibt viele weitere Orte, an denen Sie es verstecken werden, von den Glühbirnen in Thermometern und den Cermet-Füllungen in den Zähnen bis hin zu den Fiberglasrümpfen von Booten, dem „Schleifpapier“, das wir zum Dekorieren verwenden (das oft Glaspapier ist) und sogar den Dehnungsmessstreifen, die uns warnen, wenn Gebäude reißen. Klar, sauber, attraktiv, unreaktiv, billig, stark und effektiv. Was will man mehr? Glas ist eines dieser magischen Materialien, die wir absolut für selbstverständlich halten. überall und nirgends – „unsichtbar transparent“, so dass wir nicht einmal bemerken, dass es da ist!

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