Ceramika

Kilkadziesiąt tysięcy lat temu człowiek, zapewne ze zwykłej ciekawości, postanowił sprawdzić, co się stanie, jeśli przedmiot uformowany ze zwykłej, powszechnie dostępnej gliny zostanie umieszczony na jakiś czas w ogniu. Okazało się, że miękki materiał bardzo stwardniał i wykazywał zupełnie inne właściwości niż glina. Dość szybko znaleziono dla niego praktyczne zastosowanie. Dziś wyroby z dawnej ceramiki można oglądać przede wszystkim w muzeach, ale jeśli dobrze się rozejrzymy, to przedmioty świadczące o doniosłości odkrycia tamtego bezimiennego eksperymentatora znajdziemy dosłownie wszędzie.

Pierwotnie ceramikę wytwarzano z myślą o zastosowaniu bardzo praktycznym – były to przede wszystkim materiały budowlane, z kolei w naczyniach przechowywano wino, oliwę czy miód. Patery i talerze stanowiły zastawę stołową. Dość szybko też zaczęto zdobienie tych przedmiotów.

Jak powstaje ceramika

Proces tworzenia prostej ceramiki nie zmienił się od tysięcy lat. Podstawowym składnikiem do jej wyrobu jest glina, często zmieszana z innymi dodatkami mineralnymi (piasek, skalenie itp.). Mieszaninę taką formuje się ręcznie lub mechanicznie, a następnie wypala w piecu w temperaturze od 900 do nawet 2000°C. Glina jest materiałem naturalnym, ilastą skałą osadową składającą się głównie z glinokrzemianów. Jeśli spojrzymy na nią pod mikroskopem, zauważymy, że jej struktura przypomina niewielkie płatki, pomiędzy którymi znajduje się spora ilość wody. Dlatego biorąc ją w ręce i wyrabiając, mamy wrażenie, że jest tłusta. Proces wypalania w wysokiej temperaturze powoduje powolne odparowanie tej wody, co skutkuje powstawaniem nowych wiązań spajających płatki. W efekcie uzyskujemy produkt o wysokiej twardości, ale jednocześnie dość kruchy i nieco porowaty. W języku ceramiki taki wyrób to biskwit. Można go uznać za produkt końcowy, ale najczęściej podlega on dalszej obróbce. W kolejnym etapie poddaje się go szkliwieniu, czyli nakładaniu dodatkowej powłoki, mającej chronić przed nasiąkaniem czy też stanowić ozdobę. Na tym etapie można uzupełniać naturalny kolor ceramiki barwnymi dodatkami.

Współcześnie pojęcie ceramiki jest znacznie szersze – obejmuje ono wszelkie tworzywa nieorganiczno-niemetaliczne, które w procesie tworzenia podlegają obróbce cieplnej w temperaturze wyższej niż kilkaset stopni.

Ceramika architektoniczna

Wyroby ceramiczne od dawna znajdowały bardzo szerokie zastosowanie w budownictwie. Przykładem takiego materiału są cegły. Kiedyś po uformowaniu były one tylko suszone na słońcu, ale uzyskiwany produkt miał słabe właściwości mechaniczne. Dopiero zastosowanie procesu wypalania dało cegły, z których można było zbudować niemal dowolną konstrukcję. Kiedyś produkowano wyłącznie cegły pełne, dziś na rynku mamy kilkadziesiąt rodzajów o różnych zastosowaniach. Jeśli w cegle znajdują się duże otwory przelotowe (tzw. dziurawka), staje się ona lżejsza, a jednocześnie zachowuje właściwości izolacyjne, ponieważ powietrze to zły przewodnik ciepła. Podobna w konstrukcji jest cegła sitówka, z tym że tutaj liczba otworów w pojedynczej cegle sięga nawet 100. Jeśli otwory mają kształt rombu, mówimy o cegle kratówce. Wszystkie te cegły są jednak dość nasiąkliwe, dlatego stworzono specjalny rodzaj cegieł do stosowania na elewacjach budynku. Popularnie nazywa się je klinkierowymi, od holenderskiego słowa klinken, które oznacza „dzwonić”. Jeśli bowiem uderzamy o siebie takimi cegłami, dźwięczą one tak, jakby były wykonane z metalu. Klinkier ma zdecydowanie mniejszą nasiąkliwość (do 6%) niż omawiane wcześniej cegły zwykłe (nawet do 22%).

Przez stulecia dachy pokrywano także klasycznym materiałem ceramicznym – dachówkami. Mają one właściwości nieco zbliżone do klinkieru – są bardzo mało nasiąkliwe (do 2%), mrozoodporne i oczywiście niepalne. Ich wadą pozostaje jednak dość duży ciężar. Dziś w większości przypadków zastępuje się je nowszymi, lżejszymi materiałami.

Ceramika w służbie sztuki

Od najwcześniejszych czasów ludzie starali się zdobić przedmioty ceramiczne. Dotyczyło to nie tylko figurek czy innych podobnych artefaktów, ale też wyrobów codziennego użytku. Z czasem zdobienie ceramiki z rzemiosła stało się odrębną sztuką. Wiele przykładów pięknej ceramiki możemy znaleźć w muzeach. Na szczęście tego typu wyroby są trwałe, jeśli tylko nie dopuści się do ich upadku i rozbicia. Szczególnie cenne okazy pochodzą oczywiście z Chin, gdzie sztukę zdobienia wyrobów ceramicznych doprowadzono do perfekcji. Technikę szkliwienia znano już za czasów dynastii Han (III w.), a charakterystyczny efekt opalizującej powierzchni uzyskiwano po leżakowaniu wyrobów w ziemi nawet przez dziesiątki lat. Dynastia Tang (VII–X w.) pozostawiła rzeźby pokryte szkliwem trójkolorowym. Z kolei w czasach dynastii Ming (XIV–XVII w.) zdobienia miały barwy niebieskie, fioletowe i turkusowe. Tu widać wpływ zdobnictwa Bliskiego Wschodu. Barwy szkliwa uzyskuje się po dodaniu związków metali pochodzących z minerałów – kobaltu (barwa niebieska), manganu (fioletowa) czy miedzi (zielona).

Bardzo ciekawą ceramikę zobaczymy także w Japonii. Już bardzo dawno temu opracowano tam raku – technikę wypalania wyrobów ceramicznych w żywym ogniu, przy czym temperatura nie jest tam w żaden sposób kontrolowana. Do masy ceramicznej często dodaje się elementy organiczne, jak pióra czy włosie. W trakcie wypalania zostają one przetworzone w rozmaite wzory – dlatego nigdy nie ma dwóch identycznych przedmiotów wykonanych tym sposobem. Pierwotnie technika raku służyła do wytwarzania czarek używanych w tradycyjnej ceremonii parzenia herbaty, potem zaczęto tą metodą produkować inne przedmioty.

Z kolei sztuka islamu do perfekcji doprowadziła motywy czysto geometryczne. Nie znajdziemy tam w zasadzie przedstawień figuralnych (ludzie czy zwierzęta), spotkamy za to motywy roślinne, ale przede wszystkim fantastyczne wzory tworzące niesamowite ornamenty. Warto wiedzieć, że pokrywanie powierzchni powtarzającymi się elementami zainspirowało Johannesa Keplera do studiów nad geometrią. Pojedyncza kostka, będąca elementem takiej mozaiki, nosi nazwę „tessela”, stąd badanie wzorów powstających przy ich układaniu to tesselacja (po polsku też: parkietaż).

Ceramika w Polsce

Także i Polska ma swój udział w tworzeniu pięknej ceramiki. Niekwestionowanych liderem są tutaj zakłady w Bolesławcu, które korzystają z okolicznej gliny o doskonałej jakości. Produkcja w tamtych rejonach trwa w zasadzie nieprzerwanie od średniowiecza, ale dziś mamy jedną dużą firmę – Zakłady Ceramiczne „Bolesławiec”, których wyroby są znane i cenione na całym świecie.

Inne znane firmy produkujące ceramikę to Polskie Fabryki Porcelany „Ćmielów” i „Chodzież” (powstałe z połączenia dwóch zakładów istniejących już od XVIII/XIX w.), będące największym zakładem tego typu w Europie. Majolikę wytwarza z kolei Nieborowska Manufaktura Majoliki, z której przez wieki wychodziły piękne kafle do budowy pieców oraz kominków. Porcelanę stołową na cały świat wysyłają też powstałe 50 lat temu Zakłady Porcelany Stołowej „Lubiana”, mieszczące się w Łubianie koło Kościerzyny. Firma ta produkuje też galanterię porcelanową zdobioną motywami znanymi z haftu kaszubskiego.

Polska ceramika wyróżnia się pięknym wzornictwem – już w latach 50. i 60. XX w. powstawały projekty, które do dziś zachwycają specjalistów. Wygrzebane z szaf i pawlaczy, ponownie cieszą oko, pasując do mody na vintage.

Porcelana

Bardzo szlachetnym wyrobem ceramicznym jest porcelana. Za jej ojczyznę uznaje się Chiny, gdzie w VII w. opracowano technologię jej wytwarzania. Wyroby porcelanowe są po prostu piękne, nie tak toporne jak zwykła ceramika z gliny. Filiżanki są lśniąco białe, a do tego lekko przejrzyste. W ramach wymiany handlowej dotarły do Europy, ale tylko jako gotowe produkty, albowiem tajemnicy ich produkcji chińscy mistrzowie strzegli bardzo zazdrośnie.

Historia porcelany europejskiej wiąże się z dwoma nazwiskami. Tym, którego dziś uważamy za ojca tutejszej porcelany, jest niemiecki filozof, fizyk i technolog Ehrenfried Walther von Tschirnhaus. Urodzony w okolicach dzisiejszego Zgorzelca, większość życia spędził w Dreźnie. Tam właśnie eksperymentował z rozmaitymi materiałami i na początku XVIII w. uzyskał porcelanę, która jakością dorównywała chińskiej. Jego prace kontynuował alchemik Augusta II Mocnego, Johann Böttger. On nie miał specjalnego wyjścia, ponieważ przez 14 lat był uwięziony w Dreźnie, gdyż król zażyczył sobie transmutacji ołowiu w złoto. Okazuje się jednak, że dopracowany przez alchemika proces wytwarzania porcelany dał Augustowi większy zysk, ponieważ w tamtym czasie porcelana była zdecydowanie cenniejsza od złota. I tylko dzięki temu Böttger odzyskał wolność.

Proces powstawania porcelany przypomina uzyskiwanie ceramiki, ale tutaj stosuje się glinkę kaolinową (też glinokrzemian, ale biały i bardzo czysty) w mieszaninie z białym skaleniem oraz czystym kwarcem. To właśnie dzięki czystości składników porcelana jest tak olśniewająco biała. Powstający po wypaleniu biskwit może być już produktem końcowym, ale zwykle poddaje się go jeszcze procesowi szkliwienia, w którym uzyskuje się zewnętrzną warstwę ochronną i ozdobną.

Szkliwa stosowane w ceramice składają się głównie z tlenków metali i niemetali i nadają produktowi końcowemu połysk i barwę. Porcelana szkliwiona ma powierzchnię nienasiąkliwą, jest też odporna na działanie większości czynników chemicznych, takich jak kwasy czy zasady.

Ceramika XXI w.

Piękne budowle czy też efektowne zastawy stołowe to tylko część zastosowań ceramiki. Ze względu na jej wyjątkowe właściwości mechaniczne oraz niezwykłą odporność termiczną wykorzystuje się ją także w wielu innych dziedzinach życia. Jedną z nich jest stomatologia. Pierwsze próby użycia porcelany w pracach protetycznych podejmowano już w XVIII w., ale tak naprawdę materiał ten wkroczył do pracowni stomatologów w drugiej połowie XX w. Porcelanę dentystyczną wykorzystuje się zarówno do tworzenia implantów, jak też do tzw. licówek, czyli cienkich warstw korygujących kształt, kolor oraz wielkość zębów. Porcelana stomatologiczna wykazuje dobrą biotolerancję, a jej parametry mechaniczne są lepsze niż oryginalnego szkliwa. Materiały ceramiczne stosuje się też w innych dziedzinach medycyny – jako implanty kości (szczególnie stawów biodrowych), a także w sytuacji konieczności uzupełnienia ubytków kostnych u osób z chorobami nowotworowymi czy po wypadkach.

Także astronautyka korzysta z osiągnięć inżynierii w dziedzinie materiałów ceramicznych. Rozmaite rakiety mają dysze wykonane z materiałów zdolnych wytrzymać olbrzymie temperatury. Także wahadłowce kosmiczne, które służyły do transportu ludzi i towarów w przestrzeń kosmiczną, były chronione specjalnymi płytkami ceramicznymi, aby przetrwać wejście w atmosferę Ziemi, bo wtedy temperatura powierzchni rośnie wskutek tarcia nawet do 1500˚C.

Innego typu ceramikę stosuje się w technice wojskowej. W tym przypadku istotnymi cechami są duża wytrzymałość połączona z niskim ciężarem właściwym. Już od dłuższego czasu pancerze czołgów i wozów bojowych pokrywa się osłonami ceramicznymi, których zadaniem jest przejęcie energii pocisku, jej pochłonięcie i rozproszenie. Tego typu osłony są znacznie bardziej efektywne niż stosowanie coraz grubszego pancerza. Z oczywistych względów niewiele wiadomo o szczegółach konstrukcji oraz składzie materiałów wykorzystywanych do produkcji. W większości przypadków mamy tu do czynienia z ceramiką opartą na węgliku krzemu. Z kolei elementy ceramiczne stosowane w niektórych konstrukcjach kamizelek kuloodpornych to ceramika oparta na węgliku boru, zwykle połączona z tworzywami aramidowymi w materiał kompozytowy.

Nie mniej ważne wykorzystanie ceramiki obejmuje materiały nadprzewodzące. W latach 80. XX w. odkryto, że pewne szczególne mieszaniny tlenków metali wykazują nadprzewodnictwo w stosunkowo wysokich temperaturach. Otrzymuje się je zwykle poprzez spiekanie mieszaniny węglanów metali zmieszanych w odpowiednich proporcjach. Co ciekawe, niektóre z nich można otrzymać nawet w warunkach szkolnego laboratorium. Obecnie najbardziej obiecujące właściwości ma ceramika znana pod skrótem BSCCO, będąca mieszaniną tlenków bizmutu, strontu, wapnia i miedzi. Materiał ten służy do wyrobu eksperymentalnych drutów oraz taśm przewodzących, umożliwiających m.in. zasilanie potężnych magnesów w Wielkim Zderzaczu Hadronów w CERN-ie (Szwajcaria). Trwają prace nad stworzeniem ceramiki, która będzie wykazywała właściwości nadprzewodzące w temperaturze zbliżonej do pokojowej. Jeśli to się uda, pojawi się olbrzymia szansa na zdecydowane obniżenie kosztów przesyłu energii elektrycznej.

dr n. chem. Mirosław Dworniczak

***

Ceramika niejedno ma imię

Wyroby ceramiczne to pojęcie bardzo ogólne. W zależności od składu i metody wytwarzania spotykamy rozmaite produkty.

Fajans to wyrób podobny do porcelany, ale wytwarzany z zanieczyszczonego kaolinu. Zwykle po wypalaniu jest szkliwiony, może być ozdabiany.

Porcelit jest uboższym krewnym porcelany, uzyskiwanym z kaolinu gorszej jakości zmieszanego ze skaleniem oraz kwarcem.

Kamionka uzyskiwana jest z gliny z dodatkiem szamotu albo piasku kwarcowego. Najczęściej przed wypalaniem pokrywa się ją warstwą soli kuchennej, często z domieszką innych minerałów – uzyskany wyrób jest nieprzepuszczalny dla wody oraz kwasoodporny.

Majolika jest rodzajem fajansu pokrytego powłoką ołowiowo-cynową, zwykle bardzo kolorową. Technologia wytwarzania powstała na Majorce, stąd nazwa.

Terakota (dosłownie „ziemia wypalona”) otrzymywana jest z oczyszczonej i dobrze wypalonej gliny. Kiedyś powszechnie stosowana w budownictwie i architekturze. Dziś także spotykamy płytki ścienne i podłogowe z terakoty.

***

Rozróżniamy ceramikę

W sklepach znajdziemy całą gamę wyrobów ceramicznych. Jak można je rozróżnić? Względnie najprostsze jest rozpoznanie porcelany. Jest ona najczęściej śnieżnobiała, choć bywa też delikatnie kremowa. Wyroby porcelanowe są zwykle cienkie i – co bardzo charakterystyczne – przepuszczają częściowo światło. Widać to wyraźnie, jeśli spojrzymy przez filiżankę czy talerz w kierunku źródła światła. Jeśli dany materiał nie przepuszcza światła, mamy do czynienia z porcelaną słabej jakości albo po prostu z fajansem. Ten ostatni jest pokrywany szkliwem, które nie przepuszcza światła. Można też delikatnie uderzyć badany przedmiot – porcelana dźwięczy niemal metalicznie, w przypadku fajansu dźwięk jest głuchy i niższy. Przedmioty wykonane z fajansu są zwykle cięższe niż porcelanowe, co wynika z niższej wytrzymałości tego materiału.

Innym rodzajem ceramiki spotykanej w domu jest porcelit. Surowce do jego produkcji są jeszcze gorszej jakości niż te, które stosuje się do produkcji fajansu. W kuchni porcelit czasami stosuje się do wyrobu naczyń żaroodpornych do zapiekania potraw, ale ten rodzaj ceramiki znacznie częściej spotkamy w łazience. Wykonuje się z niego umywalki, miski wc, bidety oraz inne rodzaje tzw. ceramiki sanitarnej.

***

Terakotowa armia

W 1974 r. w Chinach podczas kopania studni dokonano niezwykłego odkrycia. W pobliżu grobowca cesarza Qin Shi znaleziono wiele tysięcy figur naturalnej wielkości, przedstawiających żołnierzy, urzędników, tancerzy, medyków itp. Są tam też figury zwierząt (m.in. koni, bocianów, żurawi), jak i przedstawienia wozów bojowych oraz karoc. Co ciekawe, każda z postaci ma zupełnie inne rysy twarzy, a elementy stroju związane są ze stanowiskiem lub pełnioną funkcją. Korpusy, głowy, ręce i nogi były wykonywane osobno, a następnie łączone w całą postać. Twarze wykonywano z użyciem co najmniej 10 form, po czym rzemieślnicy nakładali na nie dodatkowe warstwy gliny, które nadawały im indywidualny wygląd. Większość postaci żołnierzy wyposażono w prawdziwą broń, taką jak włócznie, miecze czy kusze, co sprawiło, że wyglądały bardzo realistycznie.

Figury pierwotnie były malowane na naturalistyczne kolory, ale niestety po wydobyciu barwy zaczęły blaknąć, a część zaczęła się łuszczyć. W 1987 r. terakotowa armia została wpisana na listę światowego dziedzictwa UNESCO.