
Cos’è il vetro?
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Ora lo vedi, ora non lo vedi. Il vetro è un po’ un indovinello. È abbastanza difficile proteggerci, ma si frantuma con incredibile facilità. È fatto di sabbia opaca, ma è completamente trasparente. E, forse la cosa più sorprendente di tutte, si comporta come un materiale solido … ma è anche una sorta di strano liquido sotto mentite spoglie! Puoi trovare il vetro ovunque tu guardi: la maggior parte delle stanze della tua casa avrà una finestra di vetro e, se non quella, forse uno specchio di vetro … o una lampadina di vetro. Il vetro è uno dei materiali creati dall’uomo più antichi e versatili al mondo. Scopriamo qualcosa in più a riguardo.
Cos’è il vetro?
Foto: Il vetro può essere utilizzato per riciclare altri materiali. Il vetro all’uranio ha un insolito colore giallo-verde e brilla di luce ultravioletta. Questi pezzi di vetro sono stati realizzati utilizzando uranio di scarto proveniente dalla pulizia dell’impianto di lavorazione dell’uranio di Fernald vicino a Cincinnati, Ohio, USA. La vitrificazione (trasformazione di un materiale in vetro) è un modo per smaltire le scorie nucleari in modo sicuro. Foto per gentile concessione del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti.
Che ci crediate o no, il vetro è fatto di sabbia liquida. Puoi fare il vetro riscaldando la sabbia ordinaria (che è per lo più fatta di biossido di silicio) fino a quando non si scioglie e si trasforma in un liquido. Non lo troverai sulla tua spiaggia locale: la sabbia si scioglie alla temperatura incredibilmente alta di 1700 ° C (3090 ° F).
Quando la sabbia fusa si raffredda, non si trasforma di nuovo nella roba gialla e grintosa con cui hai iniziato: subisce una trasformazione completa e acquisisce una struttura interna completamente diversa. Ma non importa quanto si raffreddi la sabbia, non si trasforma mai in un solido. Invece, diventa una sorta di liquido congelato o ciò che gli scienziati dei materiali chiamano solido amorfo. È come un incrocio tra un solido e un liquido con parte dell’ordine cristallino di un solido e parte della casualità molecolare di un liquido.
Il vetro è un materiale così popolare nelle nostre case perché ha tutti i tipi di proprietà davvero utili. Oltre ad essere trasparente, è poco costoso da realizzare, facile da modellare quando è fuso, ragionevolmente resistente al calore quando è impostato, chimicamente inerte (quindi un barattolo di vetro non reagisce con le cose che ci metti dentro) e può essere riciclato un numero qualsiasi di volte.
Come è fatto il vetro?
Opera d’arte: Glassmaking simplified: mescolare e riscaldare sabbia e vetro riciclato con carbonato di calcio e carbonato di sodio.
Quando gli scienziati statunitensi testarono un prototipo della bomba atomica nel deserto del New Mexico nel 1945, l’esplosione trasformò la sabbia nelle immediate vicinanze dell’impatto in vetro. Fortunatamente, ci sono modi più semplici e meno estremi di fare il vetro, ma tutti hanno bisogno di immense quantità di calore.
In un impianto di vetro commerciale, la sabbia viene miscelata con vetro di scarto (proveniente da raccolte di riciclaggio), carbonato di sodio (carbonato di sodio) e calcare (carbonato di calcio) e riscaldata in un forno. La soda riduce il punto di fusione della sabbia, che aiuta a risparmiare energia durante la produzione, ma ha uno sfortunato inconveniente: produce una sorta di vetro che si dissolverebbe in acqua! Il calcare viene aggiunto per impedire che ciò accada. Il prodotto finale è chiamato vetro soda-calce-silice. È il vetro ordinario che possiamo vedere tutto intorno a noi.
Foto: Vetro borosilicato, come questo PYREX® brocca (dietro), può resistere a sbalzi estremi di temperatura, a differenza del vetro normale (anteriore), che si frantuma. Il normale barattolo di vetro nella parte anteriore è un po ‘più sottile e considerevolmente più leggero. Puoi anche vedere, molto chiaramente, che il vetro borosilicato è di un colore leggermente bluastro (così come l’ossido di boro da cui è fatto).
Una volta che la sabbia viene sciolta, viene versata in stampi per fare bottiglie, bicchieri e altri contenitori, o “galleggiata” (versata sopra una grande vasca di metallo di stagno fuso) per creare lastre di vetro perfettamente piatte per finestre. I contenitori di vetro insoliti sono ancora a volte fatti “soffiandoli”. Un “gob” (grumo) di vetro fuso è avvolto attorno a un tubo aperto, che viene ruotato lentamente. L’aria viene soffiata attraverso l’estremità aperta del tubo, facendo esplodere il vetro come un palloncino. Con abili soffiature e torniture, è possibile creare tutti i tipi di forme sorprendenti.
I produttori di vetro utilizzano un processo leggermente diverso a seconda del tipo di vetro che vogliono realizzare. Di solito, vengono aggiunte altre sostanze chimiche per modificare l’aspetto o le proprietà del vetro finito. Ad esempio, le sostanze chimiche a base di ferro e cromo vengono aggiunte alla sabbia fusa per produrre vetro colorato di verde. Il vetro borosilicato a prova di forno (ampiamente venduto con il marchio PYREX®) è realizzato aggiungendo ossido di boro alla miscela fusa. L’aggiunta di ossido di piombo rende un vetro di cristallo fine che può essere tagliato più facilmente; il cristallo di piombo tagliato molto pregiato brilla di colore mentre rifrange (piega) la luce che lo attraversa. Alcuni tipi speciali di vetro sono realizzati con un diverso processo di produzione. Il vetro antiproiettile è costituito da un sandwich o laminato di più strati di vetro e plastica legati insieme. Il vetro temperato utilizzato nei parabrezza delle auto è realizzato raffreddando il vetro fuso molto rapidamente per renderlo molto più difficile. Il vetro colorato (colorato) è realizzato aggiungendo composti metallici al vetro mentre è fuso; metalli diversi danno ai segmenti separati di vetro i loro diversi colori.
Il vetro è un solido… o un liquido?
Opera d’arte: In alto: In un solido cristallino regolare, gli atomi sono disposti in modo pulito e prevedibile. In basso: in un solido amorfo, come il vetro, la disposizione è molto più casuale.
È una domanda molto interessante.
La risposta è entrambe le cose, e nessuna delle due! Ci sono opinioni molto diverse su come riferirsi a materiali come il vetro che sembrano essere un po ‘come i liquidi in alcuni modi e un po’ come i solidi in altri.
Nelle scuole e nei libri, tendiamo a imparare che i solidi hanno tutti una struttura fissa di atomi.
In effetti, ci sono diversi tipi di solidi che hanno strutture molto diverse e non tutto ciò che descriviamo come “solido” si comporta esattamente allo stesso modo. Pensa a un pezzo di ferro e un pezzo di gomma. Abbastanza chiaramente sono entrambi solidi, eppure la gomma è molto diversa dal ferro. All’interno, la gomma e il ferro hanno i loro atomi (nel caso del ferro) e molecole (nel caso di
gomma) disposti in modi totalmente diversi. Il ferro ha una struttura regolare o cristallina (come un telaio rampicante con atomi agli angoli), mentre la gomma è un polimero (costituito da lunghe catene di molecole liberamente collegate tra loro). Oppure pensa all’acqua. Come avrai scoperto, l’acqua è un solido quasi unico perché si espande per iniziare quando si congela. In breve, non tutto si adatta perfettamente alle nostre idee di solido, liquido e gas e non tutti i solidi, i liquidi e i gas si comportano in modo piacevole, pulito e facile da spiegare. Le eccezioni sono le cose che rendono la scienza davvero interessante!
Solidi amorfi
Torniamo al vetro. Sbircia attraverso un microscopio all’interno di un vetro e scoprirai che le molecole da cui è fatto sono disposte in uno schema irregolare. Ecco perché il vetro è a volte indicato come un solido amorfo (un solido senza la normale struttura cristallina che avrebbe qualcosa come un metallo). Potresti anche vedere il vetro descritto come un “liquido superraffreddato congelato”. Questo è un altro modo di dire “il vetro è un liquido che non si è mai fissato”, che è l’affermazione sconcertante che a volte troverai nei libri di scienza. Potremmo dire che il vetro è un po’ come un liquido e un po’ come un solido. Ha una struttura interna che è da qualche parte tra la struttura di un liquido e un solido, con parte dell’ordine di un solido e parte della casualità di un liquido.
Il vetro non è affatto l’unico solido amorfo. È possibile produrre un tipo di acqua chiamata ghiaccio amorfo che potrebbe essere descritto come tra solido (acqua) e liquido (ghiaccio). Lo fai raffreddando l’acqua molto rapidamente. Il ghiaccio si forma così velocemente che non ha il tempo di costruire la sua normale struttura cristallina. Quindi quello che si ottiene sembra ghiaccio ma si comporta in qualche modo come acqua liquida. Anche altre sostanze possono essere trasformate in solidi amorfi. Le celle solari sono spesso fatte da qualcosa chiamato silicio amorfo.
Per cosa usiamo il vetro?
Il vetro inizia la giornata con uno scintillio: uno sguardo al tuo orologio, uno sguardo attraverso lo smalto al sole o alla pioggia, un cipiglio allo specchio, una canzone dalla doccia, mentre ti lavi con l’acqua che gocciola calda dai pannelli solari sul tetto. I bicchieri imballano il tavolo della colazione, che potrebbe, a sua volta, essere fatto di vetro affumicato, e ci sono bottiglie e barattoli di tutte le forme e colori. Facendo colazione nella tua cucina, potresti usare un piano cottura in vetroceramica o un forno a microonde con una finestra rivestita in metallo per mantenere le onde all’interno. Forse stai guardando i croissant riscaldarsi attraverso la porta del forno Pyrex? (Ed è una teiera di vetro?)
Quando controlli la tua e-mail a colazione (cattiva abitudine), i dati Internet sulla velocità della luce si riversano a casa tua attraverso le fibre ottiche, proprio come la luce del sole scorre attraverso le finestre termoriflettenti che ti mantengono fresco. Leggi le parole attraverso il pannello LCD in vetro del tuo laptop o il gorilla glass temprato del tuo smartphone, entrambi caricati dall’energia solare dei pannelli fotovoltaici sul tetto. Le teste parlanti ti borbottano attraverso lo schermo della TV nell’angolo.
Poi si parte per il lavoro o la scuola, in un’auto avvolta nel vetro, in un autobus, in un treno (forse anche in elicottero), curvi sotto lampade a basso consumo coperte di vetro per farle durare. Se stai guidando, l’autostrada che stai ruggendo potrebbe essere fatta di aggregati e asfalto incluso il vetro riciclato; anche le strisce bianche al centro usano minuscole perle di vetro per farle brillare nei fari. Forse ti fermi in banca o nell’ufficio postale sulla tua strada, sorridendo alla cassiera dietro la sua finestra antiproiettile, mentre fai una rapida copia della tua patente di guida (che lasci con noncuranza sulla lastra di vetro della fotocopiatrice).
Foto: Glass porta l’esterno dentro! Questa è la meravigliosa Wayfarers Chapel a Rancho Palos Verdes, in California, progettata da Lloyd Wright (figlio di Frank Lloyd Wright). Foto da The Jon B. Lovelace Collection of California Photographs in Carol M. Highsmith’s America Project, Library of Congress, Prints and Photographs Division.
Se si tratta di un edificio moderno, il tuo ufficio o la tua scuola potrebbero essere una mini cattedrale di vetro; pensiamo al vetro come fragile e fragile, ma indurirlo nel modo giusto e puoi farne pareti, pavimenti, tetti e scale; i negozi mostrano le loro merci attraverso enormi pannelli laminati, lucidati alla perfezione.
E questa è solo una piccola selezione delle cose che il vetro fa per noi. Ci sono molti altri posti in cui lo troverai nascosto, dalle lampadine nei termometri e le otturazioni di cermet nei denti agli scafi in fibra di vetro delle barche, la “carta vetrata” che usiamo per decorare (che spesso è carta vetrata) e persino gli estensimetri che ci avvertono quando gli edifici si rompono. Chiaro, pulito, attraente, non reattivo, economico, forte ed efficace. Cosa si può volere di più? Il vetro è uno di quei materiali magici che diamo assolutamente per scontati; ovunque e da nessuna parte – “invisibilmente trasparente”, quindi non ci accorgiamo nemmeno che è lì!
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