Glass, verre, vetro, vidrio, vitrum и, наконец, стекло… Этот материал уже давно стал не просто частью быта человека, а элементом культуры. Поэзия, кино, проза, архитектура, техника, промышленность, строительство, да и другие области нашей жизни невозможно представить без этого прозрачного вещества. В каких-то сферах это духовная субстанция, используемая в качестве эпитетов, сравнений, а в некоторых — материальная, из которой творят высокохудожественные ценности и простые необходимые для нашей жизни предметы. Сейчас привычное стекло способно не только мирно стоять на столе в виде вазы, но и удивлять широким спектром своих свойств и причудами строения.
Миф и реальность
Начнём с того, что стекло — это переохлаждённая и очень вязкая жидкость. Некоторое время назад широкое распространение имела такая легенда, что под собственным весом оконные стёкла медленно «стекают» к подоконнику. В дальнейшем эксперименты учёных опровергли этот миф, но жидкостью стекло от этого быть не перестало. Скорее всего, мифом является и рассказ древнеримского учёного Плиния Старшего о финикийских купцах, которые решили приготовить обед на песчаном пляже. Очаг торговцы соорудили из кусков соды и после пиршества обнаружили первое рукотворное стекло. Красивая история, но для расплавления соды и песка нужна недостижимая в обычном костре температура (до 1500°C), поэтому будем считать Плиния в данном случае сказочником. Однако человек познакомился со стеклом гораздо раньше мифических финикийских купцов и произошло это в окрестностях вулкана. Обсидиан является природным стеклом, которое извергается наружу в виде лавы и затем быстро охлаждается. В итоге человечество получило отличный материал для орудий труда и, куда без этого, для оружия. К примеру,ацтеки и майя изготовляли дубинки-макуавитли, оснащённые острыми, как бритва, кусками обсидиана, что делало такое оружие порой опаснее традиционного меча.
Более или менее точно родиной стеклоделия можно назвать Древний Египет и Месопотамию, где в IV тысячелетии до н.э. изготавливали стеклянные побрякушки и предметы религиозного культа. Что же нужно сделать для получения стеклянного предмета? Прежде всего, очень чётко соблюсти химию стекла в приготовлении шихты (исходной смеси). Кремнезём или песок (SiO2 ) — главный ингредиент будущего стекла, и очень важно, чтобы он был чистым. Если взять песок с ближайшего пляжа, то в нём окажется немалая доля соединений хрома и железа, которая придаст стеклу «вредный» желтовато-зелёный цвет. Высшим пилотажем считается применение чистейшего SiO2 или кварца, который позволяет получить тугоплавкое, прочное и прозрачное для УФ-лучей стекло. Гранёный стакан из такого материала никогда не лопнет от кипятка — это следствие близкого к нулю коэффициента теплового расширения.
Далее в ход идёт зола деревьев или щебень морских раковин — именно эти ресурсы использовали древние для получения извести (Ca(OH)2 ), без которой стекло лишится блеска и химической стойкости. Есть желание получить хрусталь? Тогда меняем известь на оксид свинца, который придаст прозрачному материалу способность сильно преломлять свет. Тяжело обойтись и без оксидов щёлочных металлов (Na и Li), они отвечают за снижение температуры плавления стекла, что положительно сказывается на итоговой стоимости продукта. Для этой цели отлично подходят техническая сода и поташ. Вот, собственно, и всё — ингредиенты для получения стекла подобраны. Осталось найти печь, способную нагреть шихту до пары тысяч градусов, и из жидкого стекла можно будет изготавливать арт-объекты, ограниченные только полётом фантазии.
Слёзы и стекло
Есть в истории стекла несколько артефактов, о которых нужно знать. Слышали ли вы про «рупертовые слёзки», которые получаются, если расплавленное стекло капнуть в ёмкость с водой?
Это очаровательные грушевидные и чрезвычайно твёрдые стекляшки с длинными хвостиками. Даже удар кувалды не способен разбить эти стеклянные шедевры. У этого закалённого стекла есть ещё и другое название — «батавские слёзки». И внимание! Стоит только надломить тонкий хвостик ближе к основанию, то «слёзки», которые мы не смогли разбить кувалдой, разлетятся на мельчайшие кусочки. А ещё пытливые экспериментаторы утверждают: если подобный опыт провести в стакане с водой, то он разобьётся, словно при взрыве! Согласитесь, парадокс. Объяснение этому парадоксу, а точнее — поразительным свойствам стеклянных «слёзок» нашли только через несколько столетий, когда вникли в суть физики процесса охлаждения. Стекло, попадая в воду, резко сжимается на поверхности, при этом ядро «слёзки» оказывается сдавлено наружными слоями. Получается прочная и твёрдая конструкция, в которой, однако, заложено недюжинное внутреннее напряжение, спусковым крючком для которого как раз и становится надломленный хвостик.
Кстати, а как удаётся выплавить столь ровное листовое стекло? Ведь ни один прокатный стан не способен создать зеркально-гладкую поверхность. Благодарить надо сэра Аластера Пилкингтона, который относительно не так давно — в 1952 году — изобрёл флоат-процесс. Говорят, что на мысль его натолкнуло жидкое моющее средство, растекающееся по водной поверхности. Вот отличный пример, какую пользу может принести занятость мужчины на кухне! Сэр Пилкингтон предложил, по аналогии с моющим средством, выливать раскалённое стекло на более плотный жидкий материал — расплавленное олово. На выходе из такой флоат-печи выплывает идеально ровный лист стекла, который остывает в прокатном стане для того, чтобы… снова быть нагретым. Здесь стекло «отжигает» в самом прямом смысле слова. Дело в том, если охладить стеклянный лист в условиях обычной комнатной температуры, то оно не просто затвердеет, а станет хаотично закалённым. А это делает его непредсказуемым материалом, способным неожиданно и самопроизвольно расколоться. Поэтому и вводят процедуру отжига — нагрева и последующего медленного остывания. Стекло становится спокойным и послушным.
Химия цвета
Давным-давно люди заметили, что стекло очень благодарно относится к различным примесям в своём составе. Вот, к примеру, ещё во времена Римской империи мастера получили «золотой рубин», для этого они добавляли в шихту золото, что и придавало продукту насыщенный красный цвет. Но, как и многие другие рецепты, этот секрет был утерян с наступлением Средневековья. По новой тайну «золотого рубина» раскрыл вредный немецкий алхимик Иоганн Кункель. Его вредность кроется в том, что тайной он решил не делиться и унёс её с собой в могилу. Воссоздать рецепт приготовления красного стекла удалось великому русскому учёному Михаилу Ломоносову. Выражаясь современным языком, учёный очень точно нащупал «точку роста» стекольной индустрии. Нужны были цветные витражи?
Пожалуйста, основатель Московского университета оставил подробные рецепты изготовления смальты — окрашенного и часто непрозрачного стекла. В соответствии с ними, цвет материалу придают преимущественно различные оксиды металлов (соединения с кислородом). К примеру, оксид никеля (NiO) окрашивает, в зависимости от условий, в фиолетовый или коричневый цвет, а соединения меди с кислородом (CuO или Сu2 O) придают стеклу синий и красный цвет.
В премудростях окрашивания особняком стоит технология изготовления «уранового стекла». Уникальность его в том, что при добавлении в шихту оксида урана U3 O8 из мастерской стеклодува выходит дивная посуда желтовато-зелёного цвета. Люди столетиями ценили такие сервизы, а когда открылось свечение такого стекла в лучах ультрафиолета, мода на него стала непреходящей. И, наверное, если бы не Антуан Анри Беккерель и Мария СклодовскаяКюри со своими исследованиями радиоактивности, «урановая посуда» до сих пор бы красовалась в сервантах обывателей.
Современное состояние стекольной отрасли можно описать словами: «много стёкол хороших и разных». К примеру, легируем линзы соединениями серебра и получаем фотохромное стекло для очков. Тонированное в солнечный день и прозрачное в сумерках — такая оптика защищает зрение от ультрафиолетового излучения. Если предельно упростить «химизм» процессов, то под действием солнечной радиации галогениды серебра или меди разлагаются до полупрозрачного состояния, а в тени снова становятся прозрачными. Химические реакции проходят прямо в стеклянной массе! Есть жидкое стекло, сенсорное, армированное…
Как вы поняли, со стеклом есть одна сложность — о нём невозможно рассказать кратко. Левенгук и его микроскоп, Галилей со своим телескопом, лампы для электрического освещения, оптоволокно в интернет-коммуникациях… Дерево, цветные металлы, полимеры могут долго спорить о своём влиянии на цивилизацию — стекло возвышается над этой суетой. Может быть, переименуем железный век в стеклянный?
