Из чего и как делают стекло
. Кто и когда изобрел стекло впервые
Из стекла делают окна, бутылки и стаканы, это знают все. Однако без этого материала просто невозможно представить современную науку: химию, физику, биологию, медицину, астрономию, оптику и так далее. Как же его получают и сильно ли изменился процесс производства стекла за сотни лет? Объясняем простыми словами.
Содержание
Из чего делают стекло
Стекло — это твердое аморфное вещество, обычно прозрачное или полупрозрачное, а также твердое и хрупкое [1]. «Аморфное» означает, что по своей атомной структуре и механическим свойствам этот материал обладает свойствами сверхвязкой жидкости и твердого тела.
Стекло можно сделать всего из трех ингредиентов. Они упоминаются, например, в словаре В.И. Даля: «сплав песку (кремнистого) с поташом; хим. кремнекислый натр, иногда калий, свинцовая окись» [2]. Иными словами, самый простой способ получения стекла — из расплавленного речного песка (SiO2), соды (Na2CO3) и известняка (CaCO3) [3].
- Песок (диоксид кремния) состоит из мельчайших кристаллов, которые при нагревании плавятся до жидкого состояния. Однако температура плавления песка составляет +1700 °С. Даже специальные огнеупорные кирпичи не могут выдержать подобной температуры.
- Сода (оксид натрия) входит в состав большинства окон и посуды, она позволяет снизить температуру плавления песка до приемлемого значения: с +1700 до +850...+900 °C. Однако такие стекла из двух компонентов могут растворяться в воде. Для того чтобы получились привычные всем окно или стакан, нужен третий ингредиент.
- Известняк (оксид кальция) делает стекло более химически стойким, нерастворимым. В Древнем Египте использовали щебень морских раковин, а в Средневековье стеклодувы добавляли золу деревьев. Первыми догадались засыпать в стеклянную массу мел в Богемии лишь в XVII веке [4].
Также в состав стекла могут добавлять другие ингредиенты, в зависимости от его назначения. Например, чтобы линзы и другие детали научных приборов были идеально прозрачные, песок или кварц должен быть ярко-белый. Желтоватый песок содержит примеси, которые передаются и стеклу. Чтобы избавиться от них, в качестве осветлителей применяют хлорид натрия, сульфат и нитрат аммония [1]. Однако иногда в сырье для красоты специально добавляют различные окрашивающие вещества. Например, оксид меди придает сине-зеленый оттенок, а оксид железа — желтовато-зеленый. В цветных сосудах гораздо лучше сохраняется пиво, вино и другие чувствительные к свету жидкости [4].
Как делают стекло
Хотя стекла можно получить разными методами, подавляющее количество производится путем плавления шихты при высоких температурах. Это достаточно простой процесс, который включает четыре стадии.
- Плавка. Кварцевый песок с содой и известью доводят до жидкого состояния в печи. Получается «жидкое стекло». Также в смесь могут добавить другие компоненты (например, оксиды магния или алюминия), чтобы сделать материал более крепким и изменить его цвет.
- Формование. Необходимо постоянно мешать смесь, чтобы из нее пропали все пузырьки. После этого наступает время придать изделию нужную форму. Когда-то для этого просто выливали смесь в форму и остужали. В наши дни технологии значительно продвинулись вперед и «жидкое стекло» выливают в ванну с расплавленным оловом. Пока стеклянная смесь очень вязкая, она не смешивается с оловом, а растекается по нему тонкой лентой.
- Охлаждение. Стекло остывает и затвердевает при обдуве холодным воздухом. После проверки качества материала его разрезают на листы нужного размера.
- Покрытие. На последнем этапе на изделие наносят разнообразные покрытия, чтобы, например, улучшить защиту от солнечных лучей или добиться антибликового эффекта.
История создания стекла
История создания стекла насчитывает тысячелетия развития и технологических прорывов и уходит корнями в 3500 годы до н.э., когда мастера в Древнем Египте, Сирии, Финикии, Китае начали производить стеклянные предметы: бусы, серьги, амулеты, печати. Если верить Плинию Старшему, стекло впервые получили в устье реки Белус, где прибрежный песок содержит и кварц, и известняк [5].
Сам термин «стекло» появился в Древнем Риме, где технология производства стекла достигла новых высот [6]. Изобретенная в I в. до н. э. стеклодувная трубка упростила создание доступных предметов домашнего обихода, например посуды.
В начале XVII века итальянский монах Антонио Нери оставил потомкам первый научный труд по стеклоделию, сохранив секреты осветления и окраски материала. В Средние века технология стекла продолжила развиваться в Европе, особенно в Италии. Так, остров Мурано в Венеции стал центром производства стекла. Муранское стекло (Венеция) прославилось по всему миру благодаря своему качеству и уникальному дизайну. А мастера в Западной Европе эпохи готики достигли невероятных результатов в изготовлении витражей.
В России первый стекольный завод заработал в 1635 году. Свой вклад в формирование современного подхода к производству стекла внес Михаил Ломоносов. В XVIII веке ученый разработал технологию изготовления цветных прозрачных и непрозрачных стекол, используемых, в частности, для мозаик. По легенде, Ломоносов, обедая однажды у Ивана Шувалова (фаворит Елизаветы Петровны, меценат. — РБК Life), был в кафтане с большими стеклянными пуговицами, а кто-то из гостей неосторожно заметил, что они давно уже не в моде. Ломоносов отвечал, что, не следует моде, предпочитает их металлическим и всяким другим и всегда будет носить их из уважения к стеклу — и стал перечислять, где с успехом применяют стекло и какая от него польза. Известный меценат Иван Шувалов просил своего гостя описать все в стихах. Так появилось известное произведение Ломоносова «О пользе стекла» [7]. В 1753 году Ломоносов создал Усть-Рудицкую фабрику по производству цветного стекла и смальты.
В XIX веке промышленная революция привела к автоматизации процесса производства стекла. Это сделало материал доступным для массового производства.
В наши дни технологии производства стекла продолжают совершенствоваться, включая разработку новых видов стекла с различными свойствами, такими как термическая изоляция, устойчивость к царапинам и прозрачность. Стекло широко используется в архитектуре (окна, фасады зданий), автомобильной промышленности, электронике (экраны и оптические компоненты), медицине (лабораторные пробы и медицинское оборудование) и многих других отраслях.