Ogólnie o szkle

Szkło − według amerykańskiej normy ASTM-162 (1983) szkło zdefiniowane jest jako nieorganiczny materiał, który został schłodzony do stanu stałego bez krystalizacji.

Rys techniczny

W literaturze można spotkać wiele definicji szkła, czy stanu szklistego. Najbardziej popularne jest definiowanie tego stanu w oparciu o budowę wewnętrzną, mianowicie, że nie posiada ona uporządkowania dalekiego zasięgu. Sposób rozmieszczenia podstawowych elementów sieci przestrzennej szkła przypomina rozmieszczenie molekuł w cieczy, lub nawet gazie.

Molekuły te nie posiadają możliwości przemieszczania się ani możliwości ruchu, albo możliwość ta jest ekstremalnie mała z powodu bardzo dużej lepkości. Z punktu widzenia termodynamiki, szkło jest materiałem nietrwałym – stan energetyczny sieci amorficznej jest wyższy od jej krystalicznego odpowiednika. Z tego względu, każde szkło wykazuje dążność do krystalizacji, jednak nie dochodzi do niej nawet po bardzo długim czasie, z powodu lepkości. Wartość lepkości w warunkach normalnych jest taka sama jak dla krystalicznych ciał stałych. Wiele szkieł po prostu nie skrystalizuje nigdy, nawet w skali czasu istnienia Wszechświata.

Twierdzenie, że szkło jest cieczą lub przechłodzoną cieczą jest nieprawidłowe, bowiem ze względu na właściwości reologiczne, szkło jest ciałem stałym. Termin ciecz przechłodzona oznacza, że dana substancja poniżej temperatury krystalizacji znajduje się w stanie ciekłym ze wszystkimi tego konsekwencjami, tj. nadal jest płynna, a jej molekuły mogą się między sobą przemieszczać – innymi słowy jej lepkość jest nadal mała. W przypadku szkła, zarówno klasycznego z więźbą krzemionkową, jak i zeszklonych metali, mamy do czynienia z substancją, która poza wszelką wątpliwością jest w stanie stałym. Znanych jest wiele materiałów krystalicznych, które „płyną” o wiele bardziej intensywnie niż szkła i nie odbiera im się miana ciał stałych. Czasem jako argument, że szkło w istocie płynie, podaje się fakt nierównomiernej grubości szyb np. w oknach starych kościołów. Tymczasem wyjaśnienie jest bardziej prozaiczne: szkło tworzone dawną metodą nie miało wszędzie równej grubości. Twórcy witraży zwykle przycinali jego fragmenty tak, aby grubsza – stabilniejsza – część znalazła się u dołu.

Szkła tradycyjne – tj. takie, które w sposób naturalny przechodzą ze stopu do stanu szklistego, posiadają w swojej budowie uporządkowanie bliskiego zasięgu – jest to jedna z przyczyn dużego wzrostu lepkości stopu w miarę zmniejszania się temperatury. Zjawisko to w efekcie prowadzi do tego, że materiał zastyga „zamrażając” w sobie strukturę cieczy. Innymi słowy opory wewnętrzne są tak duże, że uniemożliwiają krystalizację. Żeby do niej doszło stop musi przebywać w warunkach, w których z termodynamicznego punktu widzenia krystalizacja jest możliwa i dodatkowo kiedy lepkość stopu jest na tyle mała, aby ruchy molekuł były możliwe. Zdolność do krystalizacji (wzrostu kryształów) maleje tutaj wraz ze spadkiem temperatury. W przypadku metali, aby uzyskać stan szklisty, konieczne jest bardzo szybkie chłodzenie (mowa tu o „szybkościach” studzenia rzędu ok. 106 K/s), które uniemożliwi utworzenie krystalicznej struktury.

Surowce

Surowcem do produkcji tradycyjnego szkła jest piasek kwarcowy oraz dodatki, najczęściej: węglan sodu (Na2CO3) i węglan wapnia (CaCO3), topniki: tlenek boru (B2O3) i tlenek ołowiu(II) (PbO) oraz pigmenty, którymi są zazwyczaj tlenki metali przejściowych, kadmu, manganu i inne. Surowce są mieszane, topione w piecu w temperaturze 1200–1300 °C (dzięki dodaniu węglanu sodu), po czym formowane w wyroby przed pełnym skrzepnięciem. Naturalne szkło, jak obsydian, wykorzystywano jako broń w Ameryce. Produkcja szkła znana była już ponad pięć tysięcy lat temu. W I w. p.n.e. znano metodę wytwarzania przedmiotów przez wydmuchiwanie, w XIX w. wynaleziono metodę odlewania. Po dodaniu do masy szklanej odpowiednich tlenków metali można otrzymać szkło barwne. Przykłady:

szkło zielone zawiera związki żelaza(II) i chromu(III),

szkło niebieskie zawiera związki kobaltu(II),

szkło fioletowe zawiera związki manganu(VII),

szkło żółte zawiera związki kadmu i siarki,

szkło czerwone zawiera koloidalne cząsteczki złota.

źródło: www.wikipedia.org