This post is also available in: Holenderski Angielski Francuski Niemiecki Włoski Portugalski, Portugalia Hiszpański

Teraz to widzisz, teraz nie. Szkło to trochę zagadka. Jest wystarczająco trudny, aby nas chronić, ale rozpada się z niesamowitą łatwością. Wykonany jest z nieprzezroczystego piasku, ale jest całkowicie przezroczysty. I, być może najbardziej zaskakujące ze wszystkich, zachowuje się jak solidny materiał… ale jest to również rodzaj dziwnego płynu w przebraniu! Możesz znaleźć szkło, gdziekolwiek spojrzysz: większość pokoi w twoim domu będzie miała szklane okno, a jeśli nie to, być może szklane lustro … lub szklana żarówka. Szkło jest jednym z najstarszych i najbardziej wszechstronnych materiałów stworzonych przez człowieka. Dowiedzmy się więcej na ten temat.

Co to jest szkło?

Zdjęcie: Szkło może być używane do recyklingu innych materiałów. Szkło uranowe ma niezwykły żółto-zielony kolor i świeci w świetle ultrafioletowym. Te kawałki szkła zostały wykonane przy użyciu odpadów uranu z oczyszczania zakładu przetwarzania uranu Fernald w pobliżu Cincinnati, Ohio, USA. Witryfikacja (przekształcanie materiału w szkło) jest jednym ze sposobów bezpiecznego usuwania odpadów promieniotwórczych. Zdjęcie dzięki uprzejmości Departamentu Energii USA.

Wierzcie lub nie, szkło jest wykonane z płynnego piasku. Możesz zrobić szkło, ogrzewając zwykły piasek (który jest w większości wykonany z dwutlenku krzemu), aż stopi się i zamieni w ciecz. Nie znajdziesz tego na lokalnej plaży: piasek topi się w niewiarygodnie wysokiej temperaturze 1700 ° C (3090 ° F).

Kiedy stopiony piasek ochładza się, nie zamienia się z powrotem w ziarnisty żółty materiał, od którego zacząłeś: przechodzi całkowitą transformację i zyskuje zupełnie inną strukturę wewnętrzną. Ale nie ma znaczenia, jak bardzo schładzasz piasek, nigdy nie ustawia się w bryłę. Zamiast tego staje się rodzajem zamrożonej cieczy lub materiałów, które naukowcy nazywają amorficznym ciałem stałym. To jak skrzyżowanie ciała stałego i cieczy z częścią krystalicznego rzędu ciała stałego i częścią molekularnej przypadkowości cieczy.

Szkło jest tak popularnym materiałem w naszych domach, ponieważ ma wszelkiego rodzaju naprawdę przydatne właściwości. Oprócz tego, że jest przezroczysty, niedrogi w wykonaniu, łatwy w kształtowaniu, gdy jest stopiony, rozsądnie odporny na ciepło, gdy jest ustawiony, chemicznie obojętny (więc szklany słoik nie reaguje z rzeczami, które do niego wkładasz) i można go poddać recyklingowi dowolną liczbę razy.

Jak powstaje szkło?

Grafika: Uproszczone wytwarzanie szkła: mieszaj i podgrzewaj piasek i szkło z recyklingu z węglanem wapnia i węglanem sodu.

Kiedy amerykańscy naukowcy testowali prototyp bomby atomowej na pustyni w Nowym Meksyku w 1945 roku, eksplozja zamieniła piasek w bezpośrednim obszarze uderzenia w szkło. Na szczęście istnieją łatwiejsze i mniej ekstremalne sposoby wytwarzania szkła – ale wszystkie z nich wymagają ogromnych ilości ciepła.

W komercyjnej fabryce szkła piasek miesza się ze szkłem odpadowym (ze zbiorów recyklingu), sodą kalcynowaną (węglan sodu) i wapieniem (węglan wapnia) i ogrzewa w piecu. Soda zmniejsza temperaturę topnienia piasku, co pomaga oszczędzać energię podczas produkcji, ale ma niefortunną wadę: wytwarza rodzaj szkła, które rozpuściłoby się w wodzie! Wapień jest dodawany, aby temu zapobiec. Produkt końcowy nazywa się szkłem sodowo-wapienno-krzemionkowym. To zwykłe szkło, które widzimy wokół siebie.

Zdjęcie: Szkło borokrzemianowe, takie jak to PYREX® dzbanek (tył), może wytrzymać ekstremalne zmiany temperatury, w przeciwieństwie do normalnego szkła (przód), które pęka. Zwykły szklany słoik z przodu jest nieco cieńszy i znacznie lżejszy. Widać również bardzo wyraźnie, że szkło borokrzemianowe ma lekko niebieskawy kolor (podobnie jak tlenek boru, z którego jest wykonane).

Po stopieniu piasek jest albo wlewany do form, aby zrobić butelki, szklanki i inne pojemniki, albo pływany (wylewany na dużą ze stopionego blachy cynowej), aby uzyskać idealnie płaskie tafle szkła do okien. Niezwykłe szklane pojemniki są nadal czasami wytwarzane przez ich. „Kielich” (bryła) stopionego szkła jest owinięty wokół otwartej rury, która jest powoli obracana. Powietrze jest wdmuchiwane przez otwarty koniec rury, powodując, że szkło wybucha jak balon. Dzięki umiejętnemu i obracaniu można wytwarzać wszelkiego rodzaju niesamowite kształty.

Producenci szkła stosują nieco inny proces w zależności od rodzaju szkła, które chcą wykonać. Zwykle dodaje się inne chemikalia, aby zmienić wygląd lub właściwości gotowego szkła. Na przykład chemikalia na bazie żelaza i chromu są dodawane do stopionego piasku, aby uzyskać zielone szkło. Odporne na piec szkło borokrzemianowe (szeroko sprzedawane pod znakiem towarowym PYREX®) jest wytwarzane przez dodanie tlenku boru do stopionej mieszaniny. Dodanie tlenku ołowiu tworzy drobne szkło kryształowe, które można łatwiej ciąć; wysoko ceniony kryształ ołowiu mieni się kolorem, gdy załamuje (wygina) przechodzące przez niego światło. Niektóre specjalne rodzaje szkła są wytwarzane w innym procesie produkcyjnym. Szkło kuloodporne jest wykonane z kanapki lub laminatu z wielu warstw szkła i tworzywa sztucznego połączonych ze sobą. Szkło hartowane stosowane w szybach samochodowych jest wytwarzane przez bardzo szybkie chłodzenie stopionego szkła, aby było znacznie trudniejsze. Witrażowane (kolorowe) szkło jest wytwarzane przez dodanie związków metalicznych do szkła, gdy jest stopione; różne metale nadają oddzielnym segmentom szkła różne kolory.

Czy szkło jest solidne… czy płyn?

Grafika: Góra: W zwykłym krystalicznym ciele stałym atomy są ułożone w zgrabny i przewidywalny sposób. Dół: W amorficznej bryle, takiej jak szkło, układ jest znacznie bardziej losowy.

To bardzo interesujące pytanie.

Odpowiedź brzmi jedno i drugie – i żadne! Istnieją bardzo różne opinie na temat tego, jak odnosić się do materiałów takich jak szkło, które wydają się być trochę jak płyny pod pewnymi względami, a trochę jak ciała stałe w innych.

W szkołach i książkach uczymy się, że wszystkie ciała stałe mają stałą strukturę atomów.

W rzeczywistości istnieją różne rodzaje ciał stałych, które mają bardzo różne struktury i nie wszystko, co opisujemy jako „stałe”, zachowuje się dokładnie w ten sam sposób. Pomyśl o bryle żelaza i bryle gumy. Najwyraźniej oba są ciałami stałymi, a jednak guma bardzo różni się od żelaza. Wewnątrz guma i żelazo mają swoje atomy (w przypadku żelaza) i cząsteczki (w przypadku

guma) ułożone w zupełnie inny sposób. Żelazo ma regularną lub krystaliczną strukturę (jak rama wspinaczkowa z atomami w rogach), podczas gdy guma jest polimerem (wykonanym z długich łańcuchów cząsteczek luźno połączonych ze sobą). Albo pomyśl o wodzie. Jak być może odkryłeś, woda jest prawie wyjątkowym ciałem stałym, ponieważ rozszerza się, gdy zamarza. Krótko mówiąc, nie wszystko pasuje do naszych wyobrażeń o ciele stałym, cieczy i gazie i nie wszystkie ciała stałe, ciecze i gazy zachowują się w ładny, schludny, łatwy do wyjaśnienia sposób. Wyjątkiem są rzeczy, które sprawiają, że nauka jest naprawdę interesująca!

Amorficzne ciała stałe

Wróćmy do szkła. Zajrzyj przez mikroskop do wnętrza jakiegoś szkła, a zobaczysz, że cząsteczki, z których jest wykonane, są ułożone w nieregularny wzór. Dlatego szkło jest czasami określane jako amorficzne ciało stałe (ciało stałe bez regularnej struktury krystalicznej, którą miałoby coś takiego jak metal). Możesz również zobaczyć szkło opisane jako „zamrożona przechłodzona ciecz”. Jest to inny sposób powiedzenia „szkło jest płynem, który nigdy się nie zastygł”, co jest zagadkowym stwierdzeniem, które czasami można znaleźć w książkach naukowych. Można powiedzieć, że szkło jest trochę jak ciecz i trochę jak ciało stałe. Ma wewnętrzną strukturę, która znajduje się gdzieś pomiędzy strukturą cieczy i ciała stałego, z częścią rzędu ciała stałego i częścią losowości cieczy.

Szkło nie jest bynajmniej jedynym amorficznym ciałem stałym. Możliwe jest stworzenie rodzaju wody zwanej lodem amorficznym, który można opisać jako pomiędzy ciałem stałym (woda) a cieczą (lód). Robisz to, bardzo szybko chłodząc wodę. Lód tworzy się tak szybko, że nie ma czasu na zbudowanie swojej normalnej, krystalicznej struktury. Więc to, co dostajesz, wygląda jak lód, ale zachowuje się pod pewnymi względami jak ciekła woda. Inne substancje mogą być również przekształcane w amorficzne ciała stałe. Ogniwa słoneczne są często wykonane z czegoś, co nazywa się amorficznym krzemem.

Do czego używamy szkła?

Szkło zaczyna dzień od blasku: spojrzenie na zegarek, spojrzenie przez glazurę na słońce lub deszcz, marszczenie brwi w lustrze, piosenka z prysznica, gdy myjesz się ciepłą wodą spływającą ciepło z paneli słonecznych na dachu. Szklanki pakują stół śniadaniowy, który sam w sobie może być wykonany z wędzonego szkła, a tam są butelki i słoiki o różnych kształtach i kolorach. Przygotowując śniadanie w kuchni, możesz używać płyty szklano-ceramicznej lub kuchenki mikrofalowej z metalowym oknem, aby utrzymać fale w środku. Może oglądasz rogaliki ogrzewające się przez drzwi piekarnika Pyrex? (A czy to szklany czajniczek?)

Kiedy sprawdzasz pocztę e-mail przy śniadaniu (zły nawyk), dane internetowe prędkości światła trafiają do domu za pośrednictwem światłowodów, tak jak światło słoneczne przepływa przez okna odbijające ciepło, które zapewniają chłód. Czytasz słowa przez szklany panel LCD laptopa lub hartowane szkło goryla smartfona, oba ładowane energią słoneczną z paneli fotowoltaicznych na dachu. Gadające głowy mamroczą do ciebie przez ekran telewizora w rogu.

Następnie wyruszasz do pracy lub szkoły, w owiniętym szkłem samochodzie, autobusie, pociągu (być może nawet helikopterze), zgarbionym pod niskoenergetycznymi lampami pokrytymi szkłem, aby były trwałe. Jeśli jedziesz, autostrada, którą ryczysz, może być wykonana z kruszyw i asfaltu, w tym szkła z recyklingu; nawet białe paski w środku używają maleńkich szklanych koralików, aby świeciły w reflektorach. Może wpadasz po drodze do banku lub na pocztę, uśmiechając się do kasjerki za jej kuloodpornym oknem, robiąc szybką kopię swojego prawa jazdy (które niedbale zostawiasz na szklanej płycie kserokopiarki).

Zdjęcie: Szkło wprowadza na zewnątrz! Jest to wspaniała kaplica Wayfarers Chapel w Rancho Palos Verdes w Kalifornii, zaprojektowana przez Lloyda Wrighta (syna Franka Lloyda Wrighta). Zdjęcie z The Jon B. Lovelace Collection of California Photographs in Carol M. Highsmith’s America Project, Library of Congress, Prints and Photographs Division.

Jeśli jest to nowoczesny budynek, Twoje biuro lub szkoła może być mini szklaną katedrą; myślimy o szkle jako kruchym i kruchym, ale hartujemy je we właściwy sposób i możesz z niego zrobić ściany, podłogi, dachy i klatki schodowe; sklepy pokazują swoje wyroby poprzez ogromne, laminowane panele, dopracowane do perfekcji.

A to tylko niewielki wybór rzeczy, które szkło dla nas robi. Jest o wiele więcej miejsc, w których się ukryje, od żarówek w termometrach i wypełnień cermetowych w zębach po kadłuby łodzi z włókna szklanego, „papier ścierny”, którego używamy do dekoracji (który często jest papierem szklanym), a nawet tensometry, które ostrzegają nas, gdy budynki pękają. Jasne, czyste, atrakcyjne, niereaktywne, tanie, mocne i skuteczne. Czego chcieć więcej? Szkło jest jednym z tych magicznych materiałów, które absolutnie uważamy za oczywiste; wszędzie i nigdzie – „niewidocznie przezroczysty”, więc nawet nie zauważamy, że tam jest!

Źródło