Genialne dziecko piasku, czyli po co nam szkło
W Sekcji Archeo w pulsarze prezentujemy archiwalne teksty ze „Świata Nauki” i „Wiedzy i Życia”. Wciąż aktualne, intrygujące i inspirujące.
Jeśli przyjrzymy się kawałkowi szkła, możemy ulec złudzeniu, że jest to kryształ. Byłoby to nawet dość logiczne, ponieważ głównym składnikiem każdego szkła jest tlenek krzemu (kwarc – SiO2), będący ewidentnie substancją krystaliczną. Jeszcze kilkadziesiąt lat temu uznawano szkło za tzw. ciecz przechłodzoną, czyli coś pośredniego pomiędzy stanem stałym a ciekłym. Dziś jednak uważa się, że jest ono bezpostaciowym niekrystalicznym ciałem stałym. W materiałoznawstwie mamy nawet pojęcie stanu szklistego. Charakteryzuje się on lokalnym uporządkowaniem, które nie przekracza promienia 2 nm. W stanie szklistym mogą być nie tylko rozmaite szkła, ale także ceramika, a nawet niektóre polimery.
Najbardziej jednolitym chemicznie szkłem jest szkło kwarcowe. Jest to praktycznie czysty kwarc, który po stopieniu w temperaturze powyżej 2000ºC chłodzi się, uzyskując materiał o wyjątkowej czystości. Szkło kwarcowe jest drogie, stosuje się je do wyrobu specjalistycznej aparatury chemicznej (jest odporne na większość kwasów, natomiast ulega działaniu silnych zasad), jak też optycznej, ponieważ w przeciwieństwie do zwykłego szkła przepuszcza promieniowanie UV.
Najczęściej jednak mamy do czynienia ze szkłem zwykłym, które nazywamy sodowym. Otrzymuje się je z piasku kwarcowego zmieszanego z sodą. Nie wymaga ono podczas produkcji tak wysokiej temperatury jak szkło kwarcowe, wystarczy 1200–1300ºC. Temperatura jego mięknięcia wynosi 600–800ºC. Jeszcze niższą temperaturę mięknięcia (400ºC) ma tzw. szkło jenajskie, znane też jako borokrzemianowe. Służy ono głównie do wyrobu sprzętu laboratoryjnego, takiego jak zlewki czy kolby.
Szkło weneckie
Najbardziej znanym ośrodkiem, w którym tworzy się szkło artystyczne, jest Wenecja, a przede wszystkim leżąca tuż obok miasta wyspa Murano. Historia szkła weneckiego sięga XIII w. Cech tamtejszych rzemieślników słynie z wytwarzania wspaniałych wyrobów, z których każdy jest niepowtarzalny. Mistrzowie z Murano mieli wiele przywilejów, m.in. immunitet sądowy, a także mogli się żenić z przedstawicielkami najznamienitszych rodów weneckich. Było to jednak okupione jednym zastrzeżeniem – nie wolno im było opuszczać Wenecji. Cech bardzo zazdrośnie strzegł swoich tajemnic i nie chciał, aby zostały one ujawnione. Dziś niektóre warsztaty szklarskie w Wenecji są otwarte także dla publiczności. Można obserwować rzemieślników przy pracy, której technika w zasadzie nie zmieniła się od wieków. Nadal podstawowym wyposażeniem szklarza są dmuchawa oraz szczypce i kleszcze do formowania wyrobu. Tylko zamiast specjalnego pieca do topienia szkła używa się dziś specjalnych palników gazowych. Szkoły rzemieślników z Murano uczą dziś ludzi z całego świata. Z ich warsztatów wychodzą znamienite weneckie puchary, ozdoby szklane, jak też wiele przedmiotów drobnych, w których szkło jest łączone z rozmaitymi metalami.
Właściwości szkła
Wszyscy wiemy, że szkło jest twarde i kruche, no i oczywiście przezroczyste, co stanowi o jego podstawowych zastosowaniach. Często dzieci zadają nam pytanie: dlaczego szkło jest przezroczyste? Faktycznie – właściwość tę ma nie aż tak wiele znanych powszechnie materiałów. Jeśli dobrze się zastanowimy, można to wyjaśnić dość prosto: każdy atom jest w zasadzie pustą przestrzenią. Fakt, są w nim jądro atomowe i elektrony, ale grubo ponad 99,999% przestrzeni stanowi pustka. Dlatego pytanie powinno raczej brzmieć: dlaczego inne materiały nie są przejrzyste? Wynika to bezpośrednio z fizyki kwantowej. Światło widzialne ma zbyt małą energię, aby przenieść elektrony w atomach szkła na wyższe orbity, dlatego przechodzi przez nie prawie bez strat. Nie dotyczy to wysokoenergetycznego światła ultrafioletowego, które dlatego jest pochłaniane przez szkło – nie możemy opalić się przez szybę. Struktura atomów w innych materiałach pozwala na pochłanianie światła widzialnego – z tego powodu są one w większości nieprzezroczyste.
Jak przystało na produkt otrzymany z mineralnej krzemionki, szkło jest twarde, a co za tym idzie – kruche, o czym zapewne wielu niejednokrotnie się przekonało. Jest doskonałym izolatorem elektrycznym, ponieważ w jego strukturze nie ma ruchomych jonów.
Szkło jest materiałem odpornym na działanie czynników chemicznych, w tym na większość stężonych kwasów (z wyjątkiem fluorowodorowego – HF). Warto pamiętać, że nie jest odporne na działanie stężonych zasad, które powoli, ale skutecznie je rozpuszczają, tworząc krzemiany. Idealnie nadaje się natomiast do przechowywania żywności, ponieważ jest wobec niej chemicznie obojętne, a poza tym daje się łatwo czyścić.
Okno na świat
Dziś dla każdego jest oczywiste, że okna są wyposażone w szyby. Na ten ważny pomysł wpadli Rzymianie, choć za ich czasów produkowano tylko niewielkie szyby. Na początku XX w. wynaleziono technologię ciągłej produkcji dużych tafli szklanych. Od tego czasu szkło stało się materiałem bardzo tanim i szeroko dostępnym. Pokochali je nie tylko zwykli ludzie, ale też projektanci budynków. Ziściła się idea szklanych domów. W II poł. XX w. sir Alastair Pilkington opatentował jeszcze doskonalszą metodę produkcji szkła, zwaną float. Polega ona na wylewaniu roztopionej masy szklanej na powierzchnię płynnego metalu, najczęściej cyny. Reszty dokonuje grawitacja. W ten właśnie sposób produkuje się dziś większość szkła stosowanego w budownictwie i motoryzacji. Coraz popularniejsze jest też otrzymywanie w podobny sposób cienkich płyt szklanych, których używa się m.in. w wyświetlaczach dotykowych (smartfony, tablety).
Słowo „okno” można także traktować jako przenośnię. Właściwości szkła, takie jak współczynnik załamania, pozwoliły na skonstruowanie bardzo ważnych przyrządów optycznych: lupy, a potem mikroskopu do obserwacji w mikroświecie, a także lunety i teleskopu, będących naszym oknem na świat pozaziemski.
Warto też wspomnieć, że technologia produkcji przedmiotów szklanych pozwoliła nie tylko na produkcję efektownych pucharów do wina, ale także elementów wyposażenia laboratoryjnego. Szklane kolby, zlewki i probówki umożliwiły dokładniejsze obserwacje reakcji chemicznych i tak naprawdę znacząco przyczyniły się do rozwoju współczesnej chemii doświadczalnej.
Barwny świat szkła
Jeśli przyjrzymy się różnym wyrobom szklanym, zauważymy, że sporo z nich ma konkretne kolory. Szkło samo w sobie jest najczęściej bezbarwne, chociaż gdy popatrzymy na grubą warstwę lub też na stos szyb ułożonych jedna na drugiej, zauważymy delikatny zielonkawy odcień. Barwa ta wynika z obecności bardzo niewielkich ilości tlenków żelaza, które naturalnie występują w piasku kwarcowym. Jeżeli więc celowo dodamy nieco więcej tego związku, uzyskamy szkło o barwie zielonej. Oczywiście będzie ono nadal przezroczyste. Dodatek niewielkich ilości manganu da nam szkło o miłej dla oka barwie lawendowej. Archeolodzy znaleźli sporo takiego właśnie szkła w wykopaliskach w starożytnym Egipcie. Z kolei niewielki (0,025–0,1%) dodatek kobaltu powoduje powstanie szkła o kolorze niebieskim. Jeśli do mieszanki szklanej dodamy siarkę, węgiel oraz sole żelaza, w trakcie produkcji powstaną wielosiarczki żelaza zabarwiające szkło na kolory od bursztynowego do brązowego.
Bardzo ciekawy efekt daje znikomy dodatek metalicznego złota. Mieszanka szklana po schłodzeniu staje się stałym koloidem, dając w efekcie piękną barwę czerwoną o intensywności zależnej od zawartości złota oraz rozmiaru jego cząstek. Barwa ta jest spowodowana rozpraszaniem (dyspersją) światła na drobinkach złota zawieszonych w matrycy szklanej. Takie szkło, zwane rubinowym, od wielu wieków możemy zobaczyć w witrażach na całym świecie. Charakteryzuje się ono wielką trwałością, jego kolor nie blaknie nawet po stuleciach. Współczesne szkło o barwie czerwonej uzyskuje się bez użycia złota. Do mieszanki dodaje się selen oraz siarczek kadmu. Z kolei dodatek metalicznej miedzi pozwala na otrzymanie barwy ciemnoczerwonej, ale w tym przypadku szkło staje się nieprzejrzyste.
Bardzo ciekawe efekty zapewnia dodatek tlenku uranu. Uzyskujemy wtedy szkło o barwie żółtozielonkawej, która staje się jeszcze efektowniejsza w świetle ultrafioletowym. Wyroby z takiego szkła były bardzo popularne na początku XX w., dziś są poszukiwane przez kolekcjonerów.
Szkła naturalne
Zanim nauczyliśmy się produkować szkło, robiła to natura. Na obszarach występowania piasków spotyka się m.in. fulguryty. Są to fragmenty stopionej krzemionki, powstałej w wyniku uderzenia pioruna (łacińskie słowo fulgur oznacza piorun). Powstają one dzięki olbrzymiej (powyżej 1800ºC) temperaturze, do której nagrzewa się piasek w miejscu uderzenia błyskawicy. Nie są one oczywiście tak przejrzyste jak znane nam szkło, ponieważ zawierają sporo zanieczyszczeń, na dodatek w ich strukturze zwykle jest uwięzione powietrze.
Znacznie bardziej podobne do dzisiejszego szkła jest tzw. szkło pustynne (szkliwo libijskie). Jego pochodzenie nadal jest przedmiotem dyskusji geologów, ale wydaje się, że powstało w wyniku uderzeń meteorytów w powierzchnię pustynną. Niektórzy naukowcy uważają jednak, że tego typu twory mogły powstać jako efekt promieniowania powstałego w chwili eksplozji meteoru w atmosferze.
Naturalnym szkłem jest także obsydian. Jest to skała wulkaniczna powstała w trakcie szybkiego ochładzania się lawy. Składa się w 70–75% z SiO2, a domieszki powodują, że jest zabarwiony na czarno. W czasach prehistorycznych służył do wyrobu ostrych narzędzi, ponieważ kawałki po rozłupaniu mają niezwykle ostre i twarde krawędzie. Dziś jest używany czasem do wyrobu biżuterii.
Z kolei dodatek ołowiu co prawda nie powoduje zmiany barwy szkła, ale zdecydowanie zmienia jego właściwości optyczne, przede wszystkim współczynnik załamania światła. Dlatego też ze szkła ołowiowego wykonuje się przedmioty kryształowe pięknie załamujące światło na szlifowanych krawędziach. Co ciekawe, takie szkło jest przepuszczalne dla światła ultrafioletowego, natomiast zdecydowanie słabiej od zwykłego przepuszcza promieniowanie rentgenowskie. Dzięki tej właściwości jest szeroko stosowane jako szkło ochronne w radiologii.
Szkła specjalne
Na co dzień spotykamy też szkła specjalne – najczęściej modyfikowane pod kątem kruchości. Do produkcji szyb samochodowych stosuje się szkło laminowane. Są to warstwy szkła hartowanego, pomiędzy które wprowadza się przejrzyste żywice, zwykle poliwinylowe. Następnie całość umieszcza się w autoklawie ciśnieniowym i ogrzewa do około 130ºC. Tak wykonana szyba jest znacznie bezpieczniejsza w przypadku zderzenia, ponieważ nie rozpada się na drobne, kaleczące odłamki.
Odmianą szkła laminowanego jest szkło pancerne. To także szkło warstwowe, lecz w tym przypadku mamy więcej warstw polimerowych (zwykle jest to poliwęglan). Grubość szkła pancernego może wynosić nawet 20 cm. Bez problemu wytrzymuje ono ostrzał z pistoletu, ale też z broni maszynowej. Wbrew nazwie szkło takie nie chroni przed bronią pancerną.
Coraz popularniejsze, szczególnie w budownictwie, staje się szkło samoczyszczące. Otrzymuje się je dzięki powleczeniu szklanej powierzchni bardzo cienką warstwą tlenku tytanu. Pod wpływem światła UV powoduje ona rozkład zanieczyszczeń organicznych zbierających się na powierzchni, które następnie spłukuje deszcz.
Często spotykamy okulary wyposażone w szkła fotochromowe. Reagują one na natężenie padającego światła – im jest ono silniejsze, tym ciemniejsze staje się szkło. Efekt ten jest osiągany w dość prosty sposób. W strukturę szkła wbudowuje się halogenki srebra (chlorek, bromek itp.) oraz chlorek miedzi(I). Pod wpływem światła chlorek srebra rozpada się z utworzeniem srebra pierwiastkowego, co powoduje ciemnienie szkła – dokładnie w taki sposób, jak zaczernia się klisza fotograficzna wystawiona na działanie światła. Tu jednak proces musi być odwracalny, stąd dodatek chlorku miedzi(I). Gdy ustaje dostęp światła, atomy chloru utleniają jony miedzi (Cu+ do Cu2+), które z kolei utleniają srebro (Ag do jonów Ag+) i wszystko wraca do punktu wyjścia. Obecnie najczęściej okulary fotochromowe wykonywane są z poliwęglanu. W tym przypadku efekt ciemnienia uzyskuje się dzięki dodatkowi określonych barwników organicznych, zmieniających (w sposób odwracalny) swoją strukturę.
Warto pamiętać, że okulary fotochromowe nie będą działać np. podczas prowadzenia samochodu, ponieważ do zmiany barwy wymagane jest światło UV, które jest skutecznie blokowane przez szyby auta.
Światłowody
W XX w., erze elektryczności, świat został opleciony przewodami elektrycznymi. Służyły one najpierw tylko do przesyłania prądu, następnie także sygnału telefonicznego, a pod koniec tysiąclecia rozpoczęło się transmitowanie danych, co dało początek rozległym sieciom komputerowym. Przełom XX i XXI w. przyniósł rewolucję w transmisji danych. Stało się to za sprawą szkła, a dokładniej mówiąc, technologii światłowodowej. Wykorzystuje ona bardzo proste w założeniu zjawisko, a mianowicie fakt, że światło bardzo łatwo można przesyłać, stosując cienkie włókna szklane. W powietrzu promień światła biegnie po linii prostej. Jeśli jednak wpuścimy go we włókno szklane, będzie biegł tak, jak ułożone jest włókno.
Włókna światłowodowe mają najczęściej grubość porównywalną z ludzkim włosem. Współczesne technologie optyczne jednoznacznie górują nad dawnymi, wykorzystującymi takie metale jak miedź do transmisji danych. Zwykły miedziany kabel telefoniczny pozwala najczęściej na transmisję kilkudziesięciu rozmów telefonicznych. Włókno światłowodowe może posłużyć do jednoczesnego przesyłania 3 mln rozmów telefonicznych czy też niemal 100 tys. programów TV. Różnica jest szokująca. Nic więc dziwnego, że świat jest coraz gęściej oplatany szkłem.
Muzyka ze szkła – harfa i harmonika szklana
Już kilka wieków temu zauważono, że ze szkła można wydobyć bardzo czyste i ciekawie brzmiące dźwięki. Był to impuls, z którego zrodził się instrument znany dziś jako harfa szklana, anielskie organy czy też verrilion. Pierwotne wersje składały się ze sporych kieliszków do wina wypełnionych w różnym stopniu wodą. Dźwięk wydobywa się, pocierając krawędź szkła palcami zwilżonymi wodą. Instrument ten był popularny w XVIII w., potem został zapomniany. Odrodził się na początku XX w. w nieco zmienionej konstrukcji. Współcześnie kieliszki tworzące harfę szklaną są różnej wielkości i są indywidualnie szlifowane, co eliminuje żmudne strojenie przed każdym koncertem. Największe zestawy harfy szklanej obejmują nawet 5 oktaw.
Inną konstrukcją, stworzoną przez Benjamina Franklina, jest harmonika szklana, będąca zestawem szklanych czarek (oryginalnie 37) umieszczonych współosiowo na metalowym wrzecionie. Całość miała napęd pedałowy, podobny do stosowanych w dawnych maszynach do szycia.
Muzykę na te instrumenty tworzyli bardzo znani kompozytorzy, jak Mozart, Strauss czy Saint-Saëns, istnieje też wiele opracowań innych utworów, np. słynnej Toccaty i fugi d -moll Bacha.
Posłuchaj tutaj: https://youtu.be/aHRbTxazGX0.
Działanie światłowodu opiera się na zjawisku całkowitego wewnętrznego odbicia. Promień światła wpuszczony do cylindrycznego światłowodu odbija się od jego ściany prawie bez strat. Pozwala to na przesyłanie go na duże odległości bez specjalnego wzmacniania sygnału. Do produkcji światłowodów wykorzystuje się przede wszystkim szkło kwarcowe (SiO2), ale czasami zachodzi konieczność wykorzystania innych rodzajów szkła, zawierających np. fluorki metali (cyrkonu lub też glinu) albo pierwiastki z grupy tlenowców (siarka, selen, tellur). Wykorzystuje się je głównie do stworzenia światłowodów przewodzących promieniowanie podczerwone.
Światłowody znajdują zastosowanie także w innych dziedzinach niż klasyczna telekomunikacja. To dzięki nim możliwe było skonstruowanie endoskopów, specjalistycznej aparatury pomiarowej, wzmacniaczy optycznych czy też dekoracyjnych elementów oświetleniowych.