Стекло известно человечеству уже не первое тысячелетие. Сначала люди научились добывать и использовать природные стекла, к которым относится, например, янтарь и горный хрусталь вулканического происхождения. Затем древние мастера научились и самостоятельно получать силикатные стекла сплавлением смеси кварцевого песка (SiO 2), соды (Na 2 CO 3) и извести (CaO). В результате получается химический комплекс с составом Na 2 O•CaO•6SiO 2 .

Процесс получения различных стекол в течение тысяч лет был скорее искусством, доступным отдельным мастерам, однако в новое время появилась единая методология получения различных видов стекол, существующая уже несколько столетий.

Тем не менее, как устроено стекло и в чём причина его уникальных механических свойств, учёные до сих пор не понимают.

Жаркие дебаты, касающиеся природы и механизма возникновения стеклообразного состояния твердых тел, продолжаются и поныне.

Школьная программа классифицирует стекло как твердое вещество в аморфном состоянии, но, чем стеклообразное состояние отличается от жидкости, пояснить может далеко не каждый кандидат химических наук. Связано это, прежде всего, с тем, что до сих пор никому не удалось экспериментально показать, какую же структуру имеет стекло на самом деле.

В отличие от кристаллических твердых тел, где все атомы упакованы в упорядоченную кристаллическую решетку, в стеклообразном состоянии такой дальний порядок расположения атомов отсутствует. С другой стороны, нельзя стекло назвать и сверхвязкой жидкостью, обладающей лишь ближним порядком — взаимным упорядочением только соседних молекул и атомов. Дифракционные методы исследования, успешно применяемые для исследования структуры твердых тел, показали, что для стекол характерно наличие так называемого среднего порядка упорядочения атомов — на расстояниях, лишь немногим превышающих межатомные.

Все эти работы позволили выяснить, что в стекле каждая такая локальная группировка атомов содержит одну-две ячейки. Они подобны ячейкам кристаллической решетки, однако искажены друг относительно друга. Кроме того, многие специалисты склоняются к тому, что многокомпонентные стекла — такие, например, как щелочноборатные стекла M 2 O / B 2 O 3 (М — атом щелочного металла), — являются химически неоднородными и содержат в своей структуре несколько различных типов группировок, различающихся взаимным расположением и количеством задействованных в них атомов. К сожалению, отсутствие дальнего порядка в структуре стекол делает невозможным их тщательное исследование с помощью дифракционных методов анализа, а потому уже почти полвека методы математического моделирования остаются единственным оружием ученых в этой области.

С термодинамических позиций стекло — не что иное, как метастабильная фаза твердого вещества, сильно затянувшийся процесс застывания. При переходе веществ из жидкого состояния в твердое, кристаллическое, происходит понижение внутренней энергии системы, сопровождающееся значительным выделением тепла. Образовывать упорядоченную кристаллическую решетку «выгодно» с энергетических позиций, и именно она — минимум внутренней энергии в кристаллическом состоянии — обуславливает существование большинства твердых тел.

При кристаллизации стекла этот минимум не достигается — атомы в структуре вещества не успевают занять свои кристаллографические позиции.

Однако физические свойства материала — его прочность и стабильность во времени — позволили многим ученым заключить, что структура стекла поддерживается неким локальным минимумом внутренней энергии этого материала, достигаемым еще до формирования кристаллической структуры.

Иначе говоря, атомы в стекле отказываются даже очень медленно сползаться к своим кристаллографическим позициям, как это можно было бы предположить, рассматривая стекло как просто переохлажденную и очень вязкую жидкость. На деле они просто оказываются «заперты» в тех положениях, где оказались при охлаждении из исходного расплава. Их дальнейшее смещение к «настоящему» минимуму энергии потребовало бы перехода через энергетический «перевал», а на такой переход энергию брать неоткуда.

Ещё полвека назад сразу несколько теоретиков, включая бристольского профессора физики Чарльза Фрэнка, предположили, что запирание атомов в структуре стекла происходит из-за формирования ими взаимопроникающих икосаэдрических группировок — 20-гранных объёмных фигур с пятикратной симметрией. К сожалению, отсутствие прямых методов исследования до сих пор не позволяло подтвердить эти выводы экспериментально.

Теперь сотрудникам того же Бристольского университета под руководством Падди Рояла при поддержке коллег из Японии и Австралии удалось показать, что образование структуры стекла действительно приводит к формированию икосаэдрических группировок атомов. Соответствующая принята к публикации в Nature Materials.

Правда, свой эксперимент ученые поставили не на стеклах, а на модельной системе, где вместо атомов использовались частицы коллоидного геля, взвешенные в полимерной матрице. При повышенной температуре такой гель ведет себя как жидкость, а при понижении температуры переходит в твердое состояние благодаря феномену так называемой динамической блокировки, когда локальная структура частиц геля препятствует дальнейшему их движению. Собственно, такая запертость частиц в пространстве и есть не что иное, как локальный минимум внутренней энергии геля.

Хотя подобный гель является довольно упрощенной моделью твердеющего стекла, процессы, сопровождающие формирование его динамически заторможенной структуры, во многом должны быть схожи с процессами затвердевания стекла.

Применение модельной системы понадобилось ученым для того, чтобы организовать прямое наблюдение за его частицами, выстраивающимися в структуру. Для этого ими был применен один из видов оптической микроскопии — конфокальная микроскопия, позволяющий наблюдать за системой микрометровых коллоидных частиц сразу в трех измерениях.

Обработав снимки и видеозаписи, ученые пришли к выводу что динамически заторможенная структура затвердевшего геля действительно формируется из икосаэдрических фигур, имеющих пятикратную симметрию.

Роял полагает, что его работа может лечь в основу создания долгожданной завершенной теории стеклообразного состояния, развитие которой в дальнейшем может привести к появлению методов получения многих подобных материалов.

В интервью журналу New Scientist он пояснил , какими преимуществами могут обладать подобные материалы. Например, многие металлы, полученные в стеклообразном состоянии, могут оказаться намного более привлекательными конструкционными материалами, чем самые дорогие и сложные современные сплавы.

Многие из наших читателей знают об успехе японских специалистов, добившихся необычайной пластичности обычной стали путём создания у последней наноразмерной волокнистой структуры. Если же получить сталь, вовсе лишенную напряжений на межзеренных границах кристаллитов, то такой материал будет, вероятно, на порядки устойчивее к действию разного рода нагрузок.

Окажется ли он прозрачным, как стекло, предсказывать Роял не берется.

СТЕКЛО
Любой материал, который при охлаждении переходит из жидкого состояния в твердое без кристаллизации, правильно называть стеклом независимо от его химического состава. Под это определение подпадают как органические, так и неорганические материалы. Однако стекла, используемые в широком обиходе, почти всегда изготавливают из неорганических оксидов.
СВОЙСТВА
Широкая употребительность стекла обусловлена неповторимым и своеобразным сочетанием физических и химических свойств, не свойственным никакому другому материалу. Например, без стекла, вероятно, не существовало бы обычного электрического освещения в том виде, в каком мы его знаем. Не было найдено никакого другого материала для колбы электрической лампы, который объединял бы в себе такие важные качества, как прозрачность, теплостойкость, механическая прочность, хорошая свариваемость с металлами и дешевизна. Аналогично, прецизионные оптические элементы микроскопов, телескопов, фотоаппаратов, кино- и видеокамер и дальномеров в отсутствие стекла, вероятно, не из чего было бы изготовить. Все указанные выше свойства в конечном счете связаны с тем фактом, что стекла являются аморфными, а не кристаллическими материалами. При комнатной температуре стекло представляет собой твердый хрупкий материал и обычно остается таковым при повышении температуры вплоть до 400° С. Однако при дальнейшем нагреве стекло постепенно размягчается, вначале почти незаметно, пока, наконец, не становится вязкой жидкостью. Процесс перехода стекла из твердого состояния в жидкое не характеризуется сколько-нибудь определенной температурой плавления. При правильном охлаждении жидкого стекла этот процесс происходит в обратном направлении также без кристаллизации (деаморфизации).
ПРОИЗВОДСТВО СТЕКЛА
Сырьевые материалы. Смесь, или шихта, из которой приготавливается стекло, содержит некоторые главные материалы: кремнезем (песок) почти всегда; соду (оксид натрия) и известь (оксид кальция) обычно; часто поташ, оксид свинца, борный ангидрид и другие соединения. Шихта также содержит стеклянные осколки, остающиеся от предыдущей варки, и, в зависимости от обстоятельств, окислители, обесцвечиватели и красители либо глушители. После того как эти материалы тщательно перемешаны друг с другом в требуемых соотношениях, расплавлены при высокой температуре, а расплав охлажден достаточно быстро, чтобы воспрепятствовать образованию кристаллического вещества, получается целевой материал - стекло. Хотя песок внешне не похож на стекло, большинство распространенных стекол содержат от 60 до 80 мас.% песка, и этот материал как бы образует остов, относительно которого протекает процесс стеклообразования. Стеклообразующий песок - это кварц, наиболее распространенная форма кремнезема. Он подобен песку с морского пляжа, из которого, однако, удалено большинство посторонних примесей. Оксид натрия Na2O обычно вводится в шихту в виде кальцинированной соды (карбоната натрия), однако иногда используется бикарбонат или нитрат натрия. Все эти соединения натрия разлагаются до Na2O при высоких температурах. Калий применяется в форме карбоната или нитрата. Известь добавляется в виде карбоната кальция (известняка, кальцита, осажденной извести) либо иногда в виде негашеной (CaO) или гашеной (Ca(OH)2) извести. Главные источники монооксида бора для производства стекла - бура и борный ангидрид. Оксид свинца обычно вводится в шихту в виде свинцового сурика или свинцового глета.
Типы стекол. Кварцевое стекло. Стекло, состоящее из одного только кремнезема, правильно называть плавленым кварцем или кварцевым стеклом. Это простейшее стекло по своим химическим и физическим свойствам, и оно обладает многими необходимыми параметрами: не подвергается деформированию при температурах вплоть до 1000° С; его коэффициент теплового расширения очень низок, и поэтому оно обладает стойкостью к термоудару при резком изменении температуры; его объемное и поверхностное удельные электрические сопротивления весьма высоки; оно отлично пропускает как видимое, так и ультрафиолетовое излучение. К сожалению, кварцевое стекло с большим трудом плавится и перерабатывается в изделия. Высокая стоимость кварцевого стекла ограничивает его применение изделиями специального назначения, такими, как химико-лабораторная посуда, ртутные лампы и компоненты оптических систем, работающие при высоких температурах.
Натриево-силикатные стекла. Натриево-силикатные стекла получают сплавлением кремнезема (оксида кремния) и соды (оксида натрия). Смесь 1 части оксида натрия (Na2O) с 3 частями оксида кремния (SiO2) плавится при температуре, на СТЕКЛО900° С более низкой, чем чистый кремнезем; оксид натрия действует как сильный флюс. К сожалению, такие стекла растворяются в воде, и хотя они чрезвычайно важны для промышленного применения, из них нельзя изготавливать большинство изделий.
Известковые стекла. Древние стеклоделы обнаружили, что водорастворимость натриево-силикатных стекол можно устранить добавлением извести. Анализы древних стекол показывают поразительное сходство их химического состава с составом современных стекол, хотя современные стеклоделы, в отличие от древних, знают также, что добавление небольших количеств других оксидов, например оксида магния MgO, оксида алюминия Al2O3, оксида бария BaO, дополнительно повышает качество стекла. Если главные ингредиенты шихты - оксиды Na2O, CaO и SiO2, то получаемые стекла называются натриево-известково-силикатными, натриево-известковыми или просто известковыми стеклами независимо от присутствия других составляющих. С небольшими изменениями в составе эти стекла широко используются для изготовления листового и зеркального стекла, стеклотары, колб электроламп и многих других изделий. Эти стекла относительно легко плавятся и перерабатываются в изделия, а сырьевые материалы для них недороги. Вероятно, 90% производимого сегодня стекла является известковым.
Свинцовые стекла. Свинцовые стекла изготавливают сплавлением оксида свинца PbO с кремнеземом, соединением натрия или калия (содой или поташем) и малыми добавками других оксидов. Эти свинцово-натриево(или калиево)-силикатные стекла дороже известковых стекол, однако они легче плавятся и проще в изготовлении. Это позволяет использовать высокие концентрации PbO и низкие - щелочного металла без ущерба для легкоплавкости. Такой состав поднимает диэлектрические свойства материала до такого уровня, что делает его одним из лучших изоляторов для использования в радиоприемниках и телевизионных трубках, в качестве изолирующих элементов электроламп и конденсаторов. Высокое содержание PbO дает высокие значения показателя преломления и дисперсии - двух параметров, весьма важных в некоторых оптических приложениях. Те же самые характеристики придают свинцовым стеклам сверкание и блеск, украшающие самые утонченные изделия столовой посуды и произведения искусства. Большинство стекол, называемых хрусталем, являются свинцовыми.

Боросиликатные стекла. Стекла с высоким содержанием SiO2, низким - щелочного металла и значительным - оксида бора B2O3 называются боросиликатными. Борный ангидрид действует как флюс для кремнезема, так что содержание щелочного металла в шихте может быть резко уменьшено без чрезмерного повышения температуры расплавления. В 1915 фирма "Корнинг гласс уоркс" начала производить первые боросиликатные стекла под торговым названием "пирекс". В зависимости от конкретного состава стойкость к термоудару таких стекол в 2-5 раз выше, чем у известковых или свинцовых; они обычно намного превосходят другие стекла по химической стойкости и имеют свойства, полезные для применения в электротехнике. Такое сочетание свойств сделало возможным производство новых стеклянных изделий, в том числе промышленных труб, рабочих колес центробежных насосов и домашней кухонной посуды. Зеркало крупнейшего телескопа в мире на г. Паломар в Калифорнии изготовлено из стекла сорта "пирекс".
Другие стекла. Существуют много других типов стекол специального назначения. Среди них - алюмосиликатные, фосфатные и боратные стекла. Производятся также стекла с разнообразной окраской для изготовления линз, светофильтров, осветительного оборудования, косметической тары и домашней утвари.
Варка. Стекло варится путем выдерживания смеси сырьевых материалов при высоких температурах (от 1200 до 1600° С) в течение продолжительного времени - от 12 до 96 ч. Такой режим обеспечивает протекание необходимых химических реакций, в результате чего сырьевая смесь приобретает свойства стекла.

В древние времена варка производилась в глиняных горшочках глубиной и диаметром 5-7 см. В настоящее время применяются шамотные горшки гораздо больших размеров, вмещающие от 200 до 1400 кг шихты, для производства оптического, художественного и других видов стекла специального состава. В одной печи могут выдерживаться от 6 до 20 горшков. Большие массы стекла варятся в ванных печах непрерывного действия. Постоянный уровень расплавленного стекла в ванне поддерживается путем непрерывной подачи шихты на одном из концов установки и извлечения готового продукта с той же скоростью из другого конца; в таком режиме некоторые стекловаренные печи работали в течение пяти лет, прежде чем возникала необходимость в ремонте. Крупные печи, иногда вмещающие несколько сот тонн расплавленного стекла, приспосабливаются к интенсивному механическому производству. Как горшковые, так и ванные печи обычно нагреваются сжиганием природного газа или мазута.
Переработка в изделия. В отношении переработки в изделия стекло отличается от большинства других материалов двумя особенностями. Во-первых, оно должно перерабатываться, будучи чрезвычайно горячим и полужидким. Во-вторых, операции формования должны выполняться за короткие периоды, длящиеся от нескольких секунд до, самое большее, нескольких минут, - за это время стекло охлаждается до состояния твердого тела. При необходимости дальнейшей обработки стекло вновь должно быть нагрето. В расплавленном состоянии стекло может быть вытянуто в длинные нити, обладающие гибкостью при высокой температуре, извлечено из общей массы погруженным в него инструментом в виде небольшого сгустка, подцеплено концом стеклодувной трубки либо разлито в формы для получения отливок или прессовок. Поскольку стекло легко сплавляется с металлом, отдельные части сложного изделия соединяются друг с другом после повторного нагрева, благодаря которому также обеспечивается чистота соединяемых поверхностей. Вращение заготовки с постоянной скоростью при обработке придает изделию осесимметричную форму. Готовые стеклянные изделия подвергаются процессу отжига со стадией медленного охлаждения для релаксации напряжений. За все время производства стекла были созданы четыре главных метода его обработки: выдувание, прессование, прокатка и литье. Первые три метода используются как в мелкосерийном ручном, так и в непрерывном машинном производстве. Литье, однако, трудно приспособить к крупносерийному производству.

Последние достижения. В разработке средств механизации для быстрого и дешевого производства стеклянных изделий в 20 в. было достигнуто больше успехов, чем за всю предыдущую историю стекольного дела. В 1900-х годах, хотя уже были заложены основы механизации технологических процессов и массового производства, стекло все еще использовалось главным образом для получения только пяти видов изделий: бутылок, столовой посуды, окон, линз и украшений. С тех пор стекло стало производиться многими предприятиями и нашло применение буквально в тысячах различных областей. Теперь стекло легко приспосабливают к требованиям заказчика. Оно может быть прозрачным, полупрозрачным или непрозрачным, окрашенным или бесцветным. Некоторые виды стекла так же легки, как алюминий, а другие так же тяжелы, как чугун; есть стекла, по прочности превосходящие сталь. Из них изготавливаются волокна в 10 раз тоньше человеческого волоса и листы, столь же тонкие, как бумага. Стеклянные изделия могут быть крошечными, хрупкими и легкими или такими массивными, как сплошное 508-сантиметровое, 20-тонное зеркало Паломарского телескопа.

Плоское стекло. В течение и сразу после Первой мировой войны были разработаны новые и полностью непрерывные методы изготовления как оконного, так и зеркального стекла. В 1928 было создано многослойное безосколочное стекло для автомобилей. Вскоре после этого было освоено производство закаленного плоского стекла путем термообработки (закалки с высоким отпуском) твердых полированных листов. Этот процесс повышает прочность в несколько раз и дает продукт с исключительно высокими гибкостью и стойкостью к истиранию и всем видам механического и теплового удара. Когда такое стекло разбивается, оно распадается не на длинные, острые осколки, как обычное стекло, а на маленькие округлые кусочки, которые относительно безвредны. Отпуск оказывается эффективным при упрочнении не только плоского стекла, но и кухонной посуды, мерного стекла, линз защитных очков и круглых колб светильников. Стеклопакеты, заменяющие вставные оконные переплеты, - сравнительно новая разработка конструкции с плоским стеклом. Они состоят из двух или более листов стекла, герметично соединенных по периметру рамкой. Пространство между листами заполняют очищенным и осушенным воздухом. По сравнению с одинарным остеклением стеклопакеты уменьшают теплопотери почти на 50% и надолго избавляют от проблем, связанных с применением наружного оконного переплета, проникновением пыли и конденсацией влаги.
Стеновые стеклоблоки. Производство стеновых стеклоблоков и стекловолокна началось в 1931. Трудно вообразить два других вида стеклянных изделий, столь непохожих друг на друга. Стеновые стеклоблоки массивны и изготовляются сваркой двух прессованных полублоков с образованием герметической полости между ними. Такие элементы монтируются при строительстве с использованием обычных инструментов и материалов. Получаемые из них "стены дневного света" пропускают большую часть падающего на них солнечного излучения, но уменьшают его яркость, обеспечивают хорошую теплоизоляцию и практически исключают конденсацию влаги. Эти полезные свойства обусловили широкое использование стеновых стеклоблоков как элементов строительных конструкций.
Стекловолокно. В отличие от бытового стекла стекловолокно обычно изготавливается в форме нитей диаметром меньше 1 мкм. Поскольку каждое волокно представляет собой, по существу, сплошной стеклянный стержень, в объеме оно обладает всеми свойствами стекла. Стекловолокно термостойко и негорюче. Оно не поглощает влаги, не гниет и не подвержено химическому разложению. Оно атмосферо-, кислото-, масло- и коррозионностойко, а также не проводит электричества. Из стекловолокна можно изготавливать нити, ленты, оплетки и корд. Из несколько более толстых, коротких волокон получают упругую ватоподобную массу, называемую стекловатой. В такой форме стекловолокно - отличный теплоизолятор. Различные виды стекловолокна в сочетании с асбестом, слюдой, пластмассами и силиконами дают превосходные композиционные материалы. Действительно, материалы, состоящие из параллельных стеклянных нитей, внедренных в сложный полиэфир или другую матрицу, по прочности на единицу массы могут быть намного прочнее обычных конструкционных материалов, включая сталь, алюминий, магний и титан. Армированные стекловолокном пластмассы этого типа теперь широко используются для изготовления деталей самолетов и ракет, труб, резервуаров, корпусов лодок и строительных панелей. Промышленность стекловолокон выросла с удивительной быстротой ввиду широкого применения этого вида стекла в композиционных материалах.
Специальное кварцевое стекло. В 1939 был изобретен еще один замечательный вид стекла, названный 96%-м кварцевым стеклом. Этот продукт по своим свойствам практически эквивалентен чистому плавленому кварцу, однако он может производиться дешевле и с большим разнообразием форм и размеров. Стойкость к термоудару этого вида стекла настолько велика, что после нагрева до точки размягчения его можно сразу же опустить в холодную воду, не вызвав разрушения. Удельное электрическое сопротивление и химическая стойкость этого вида стекла также весьма высоки. Некоторые разновидности 96%-го кварцевого стекла обладают исключительно высоким пропусканием в середине ультрафиолетовой области спектра, что позволяет использовать такое стекло в солнечных и бактерицидных лампах, лабораторном оборудовании и специальных электротехнических изделиях.
Пеностекло. Пеностекло - еще один продукт изобретательности стеклоделов - по структуре похоже на хлеб и может распиливаться на куски нужного размера. Разработанное в 1940, это стекло так мало весит, что не тонет в воде, и все же является жестким, не горит и не выделяет запахов. Такая аномалия свойств создается после смешения тонко измельченных кокса и стекла и нагрева смеси до высокой температуры. Смесь мучнистого вида расплавляется, превращаясь в черную пену, которая заполняет объем формы и потом застывает. В результате получается твердый ячеистый материал с сотнями тысяч заполненных воздухом изолированных ячеек на 1 дм3. После снятия форм блоки пеностекла разрезаются до нужных размеров. Этот замечательный продукт весит примерно столько же, сколько весит пробка, и во время Второй мировой войны использовался в качестве заменителя пробки, а также пробковой древесины, пористой резины и капка. Как и пробка, пеностекло - отличный изолятор. Однако в отличие от пробки на него не влияют сырость и конденсация влаги, так что оно очень подходит для обкладки холодильных камер и бытовых холодильников. Пеностекло в равной мере успешно может применяться и для высокотемпературной теплоизоляции вплоть до 425° С, поскольку оно не только не горит, но и заглушает огонь. Новый сорт пеностекла содержит 99% кремнезема и может использоваться при температуре до 1200° С.
Металлизация. На поверхность стекла можно наплавить тонкий слой металла; при этом соединение получается настолько прочным, что к металлическому покрытию можно припаять довольно массивные металлические детали. Этот метод широко применяется в радио- и электротехнической промышленности.
Проводящие покрытия. Был открыт целый ряд необычных применений стекла в связи с тем, что ему можно придать свойство поверхностной проводимости. Это достигается напылением на поверхность стеклянного изделия тонкого, прозрачного, почти невидимого слоя оксида металла. Такое покрытие весьма долговечно и имеет поверхностное сопротивление в пределах от 10 до 100 Ом/см2. При обычных температурах можно использовать известковое стекло, а при высоких - боросиликатное. Изготовленные из такого стекла панели лучистого нагрева могут работать при температурах до 350° С. Подобные панели - хороший источник энергии длинноволнового инфракрасного излучения, которое большинство веществ и сред поглощает с эффективностью 90% и более. Таким способом изготавливаются настольные стеклянные излучатели и вспомогательные нагреватели для помещений. Проводящие покрытия, нанесенные на ветровые стекла самолетов, сохраняют их теплыми и свободными от льда.
Электротехнические изделия. Стеклянные колбы широко используются в качестве оболочек для ламп накаливания и электронно-лучевых трубок. Проволочные резисторы, трансформаторы, конденсаторы, реле и переключатели могут заключаться в оболочки из отпущенного стекла с выводами через стеклянные изоляторы. Крупные проходные изоляторы массой до 22 кг, рассчитанные на сильные токи и высокие напряжения, изготавливаются путем центробежной отливки стекла вокруг металлических втулок. С применением стекла изготавливаются конденсаторы как постоянной, так и переменной емкости. В конденсаторах постоянной емкости используется листовое стекло толщиной до 0,025 мм. Конденсатор переменной емкости состоит из изготовленной с жестким допуском стеклянной трубки, часть внешней поверхности которой металлизируется для образования одной обкладки. Внутрь трубки вставляется стержень из латуни или инвара, образующий вторую обкладку. Стеклянные трубки или стержни с нанесенной на них углеродной, металлической или металлооксидной пленкой используются в качестве резисторов.
Светочувствительные стекла. В 1947 было обнаружено, что стекла некоторых составов при воздействии ультрафиолетового излучения образуют скрытое изображение, которое может быть проявлено путем нагрева стекла чуть выше температуры отжига. Скажем, на стекло можно наложить фотографический негатив и облучить его ультрафиолетом, а потом нагреть стекло; в результате в объеме стекла появится воспроизведенное в цвете изображение. Цвет изображения зависит от вида светочувствительного металла, введенного в шихту. Один из составов дает опаловое стекло такой природы, что разбавленная фтористоводородная кислота протравливает облученную часть раз в пятнадцать быстрее, чем необлученную. Эта огромная разница в растворимостях позволяет осуществлять химическое травление. Таким способом в стекле можно вытравливать отверстия размером меньше половины среднего диаметра человеческого волоса в количестве до 100 тыс. отверстий на 1 см2. Стекла этого типа используются для изготовления световых табло, именных табличек и декоративных плиток, а также в качестве чувствительных элементов дозиметров. После воздействия проникающего излучения некоторые из таких стекол ярко светятся при облучении ультрафиолетовым светом, а другие меняют свой цвет. Интенсивность флуоресценции или степень изменения окраски пропорциональна полученной дозе облучения.
Стеклокерамика. Это гибридное название относится к материалам, которые вначале были произведены как стекла, а потом во всей своей массе переведены в кристаллическое состояние. Они выпускаются фирмой "Корнинг гласс уоркс" под зарегистрированными торговыми названиями "пирокерамика" и "фотокерамика". Сырьевые материалы для изготовления стеклокерамики примерно те же, что и для изготовления стекла, однако включают некоторые дополнительные добавки, играющие роль зародышеобразователей. После формования одним из обычных способов - прессования, выдувания или прокатки - изделие нагревается до температуры образования ядер кристаллизации. В 1 см3 изделия образуются миллиарды таких ядер, которые вырастают до мельчайших кристаллов, хотя никакой видимой кристаллизации не происходит. Затем температура повышается, и во всем объеме стеклообразного изделия начинается кристаллизация вокруг кристаллов-зародышей. Процесс продолжается до тех пор, пока растущие кристаллы не наталкиваются друг на друга и вся масса изделия не становится кристаллической за исключением малых областей стеклообразной матрицы на границах кристалла. Температуры переработки, зародышеобразования и кристаллизации зависят от состава стекла. В некоторых случаях образование ядер кристаллизации производится воздействием рентгеновского или ультрафиолетового излучения с последующей термообработкой. В отличие от обычной керамики, стеклокерамика не имеет пор, а ее кристаллы меньше размером и более однородны. По сравнению со стеклом-основой стеклокерамика тверже, не деформируется до более высоких температур и в несколько раз прочнее. Одним из первых ее применений были обтекатели ракет. Теперь широко используется стеклокерамическая посуда, которую можно переставлять из холодильника прямо на плиту. Лабораторная посуда, цилиндры двигателей и даже шарикоподшипники изготавливаются из стеклокерамики. Эти разработки - главное достижение в технологии стекла.
См. также

В вопросе есть неверное предположение, что жидкость не бьется. Жидкость очень даже бьется, только при этом "осколки" сразу принимают форму, обеспечивающую минимальную поверхностную энергию (то есть, шар, но сильно искаженный за счет того, что есть смачивание, сорбция, гравитация и прочие особенности реального мира). Отличия от стекла здесь в принципе: а) в прочности, которая у стекла заметно выше, чем у жидкостей с вязкостью не на много порядков выше, чем у воды, и б) в форме "осколков", у стекла она произвольная, у жидкости - нет (см. выше).

Теперь насчет более сложного вопроса о том, стекло - жидкость или нет. Тут нету строгого ответа, поскольку стекло - это не совсем строгое понятие и ответ будет зависеть от того, как определить стекло. Кроме того, есть стекло - как оконное стекло: смесь силикатов щелочных/щелочноземельных элементов, а есть стекло - как состояние вещества: идеально аморфное тело, в котором нет дальнего порядка. Очевидно, что если мы берем оконное стекло или что-то в этом роде, то мы имеем достаточно определенную систему со своими свойствами, ее можно хорошо описать на количественном уровне, а если мы берем стекло во втором смысле, то там уже начинаются сложности, поскольку это могут быть очень разные системы со своими хитростями. Нужно понимать, что стекло во втором смысле - это скорее модель, чем реальный объект. Что-то вроде идеального кристалла, у которого нет дефектов, нет границ и тд. Реальные системы, включая сюда и оконное стекло, могут достаточно сильно отличаться от идеального объекта и еще разительнее различаться между собой.

Давайте про оконное стекло. Почему говорят, что такое стекло - не жидкость? Во-первых, это стекло, как и многие другие, не обладает текучестью ниже температуры стеклования. Все рассказы про "мее-е-едленно течет" - в топку. Не течет. Это вопрос энергии связи, которая, кстати, в стеклах бывает сильно разная, но в оконном стекле - это ионная связь, которая в данном случае весьма сильная, и ковалентная полярная связь в силикатных цепочках, которая еще сильнее. Течение, как упорядоченный сдвиг структурных элементов относительно друг друга, в стекле при комнатной температуре невозможен. Отсюда следует и то, что стекло никогда не примет форму сосуда. Ежели, скажем, его осколки накидать в кувшин, то, увы, ни через 10, ни через 10^10 лет вы оттуда не вынете слиток в форме кувшина. Таким образом, мы имеем противоречие с обычным определением жидкости как агрегатного состояния (постоянный объем, но принимает форму сосуда). То есть, стекло - не жидкость.

Теперь почему говорят, что стекло - жидкость. А вот тут интереснее. ОК, пусть стекло - твердое тело. Значит, если его нагревать, то рано или поздно оно расплавится. И да, все знают, что это так и есть - нагрейте стекло и оно станет мягким, а потом потечет. Ура, отлично! А теперь, пожалуйста, скажите мне температуру плавления стекла? То есть, температуру, при которой происходит переход из твердого состояние в жидкое, что является фазовым переходом первого рода, при котором происходит скачкообразное изменение первых производных термодинамических потенциалов по температуре, давлению и т.п. И который сопровождается резким выделением/поглощением тепла. Ой, а вот с этим сложно, этой температуры, гммм..., её просто нет. Равно как и скачкообразного изменения первых производных, увы. Нет перехода из твердого тела в жидкое, хотя после определенной температуры стекло уже вполне себе течет если не как вода, то как мёд примерно или там какой-нибудь кефир. А раз не было перехода, значит и при более низких температурах стекло было жидким, просто вязкость вот такая ого-го какая. То есть, стекло - жидкость.

В связи с такими ужасными противоречиями было введено специальное понятие т.н. "неосновного" агрегатного состояния - аморфное тело. То есть тело, которое не обладает дальним порядком структуры и проявляет как некоторые свойства твердых тел, так и некоторые свойства жидких тел. Его можно рассматривать как переохлажденную жидкость или как твердое тело, лишенное дальнего порядка, но и то и другое будет лишь некоторым приближением. В зависимости от температуры, при которых мы его рассматриваем, и от типа связей внутри него оно может быть больше похоже на твердое тело, а может быть больше похоже на жидкость, но не является ни тем, ни другим. "Оконное" стекло - это пример такого аморфного тело, только обычно все-таки с кристаллическим вкраплениями из-за неизбежных несовершенств при производстве, не идеально аморфное тело.

Как это все же удивительно — ученые совершенно ясно представляют себе структуру сложнейших синтетических пластмасс в то время, как «устройство» древнейшей пластмассы - стекла остается белым пятном на карте наших знаний! Человек сумел расщепить атом , разгадать генетический код, выйти в космос, но у него пока не хватает знаний для того, чтобы разобраться в сущности стекловидного состояния вещества.

Кристалл или не кристалл

Науке пока не удалось найти такую схему, в которую «вмещались» бы все стекла, которая объясняла бы все возможности их состояния. Мы знаем; что стекло - это твердое вещество, получившееся в результате охлаждения расплава. Но оно перешла в твердое состояние как-то «неправильно», не согласуясь с нашими представлениями о затвердевании жидкостей. В стекле нет « », характерной для кристаллических веществ. Мы не находим в нем регулярного повторения одних и тех же структурных элементов? В то же время полного хаоса в массе стекла тоже нет, оно изотропно, его средняя структура одинакова во всех направлениях. Сложность проблемы усугубляется еще тем, что различные стекла имеют самый различный химический состав и «умудряются» при это обладать весьма похожими свойствами.

Существующие взгляды на структуру стекла можно разделить на две большие группы. У каждой из них есть свои защитники и противники. Нужно помнить, однако, что работы в этой области еще далеко не закончены и что всякое схематическое деление влечет с собою опасность излишне упростить проблему. (К слову о стекле, этот товар издревле был весьма необычным и имел особые требования к качеству и прочности, разумеется, в былые времена люди не могли просто так почитать в интернете отзывы о товарах как могут сделать сегодня, скажем на сайте http://ask-why.ru/otzivi/ , поэтому для проверки качества стеклянных изделий купцы средневековья имели с собой чуть ли не маленькую передвижную химическую лабораторию).

Почти классическая теория

Во главе первого лагеря стоит В. Захарпасен, выдвинувший теорию «деформированной решетки». Эта, ставшая уже почти классической, теория предполагает, что в стекле все-таки есть решетка — непрерывная система взаимосвязанных анионов и катионов. Основа такой решетки — тетраэдр кремнекислоти или ее стеклообразующей модификации. По Захарпасену, тетраэдры расположены так, что возникают «пустоты», которые у многокомпонентных стекол заполняются катионами других элементов. При медленном застывании стекла именно эти элементы, затвердевающие первыми, становятся центрами, вокруг которых располагаются тетраэдры стеклообразующей кремнекислоты.

Захарпасен считает, что без решетки невозможна упорядоченная структура сложного вещества. «Но чем же объяснить все аномалии стекла?» - спрашивают противники «почти классической» теории. Почему при переходе стекла из пластического состояния в твердое отсутствует характерный для всех других веществ «скачок», вызываемый кристаллизацией? Захарпасен и его сторонники призвали на помощь теоретическое представление о «неправильности» структурной решетки в стекле. Возьмите кристаллический кварц, говорят они, каждый тетраэдр кремнекислоти в нем расположен в строгом согласии с другими. Но превратите кварц в стекло, и решетка окажется «деформированной», отдельные тетраэдры в ней уже не будут правильно ориентированы один относительно другого. К сожалению подобная «модель» не могла объяснить многих экспериментальных фактов многих свойств стекла, и в итоге пришлось отказаться от деформированной решетки да и от решетки вообще.

«Намек» на кристаллизацию

Ученый академик А. А. Лебедев с самого начала выбрал другой путь. Он представляет себе стекло как аморфное вещество, у которого, однако, есть «намек» на кристаллизацию. Процесс остановился на стадии микрокристаллических образований, в которых настоящая кристаллическая решетка проявляется лишь частично. Эти структурные элементы Лебедев назвал «кристаллитами» - неполными, несовершенными кристаллами, которые собраны в конгломераты, составляющие основу всей структуры стекла.

Ученики Лебедева дополнили его теорию многочисленными опытами. Американские исследователи нашли, что кристаллитная теория Лебедева объясняет многие явления, не объяснимые теорией Захарпасена. Но в дальнейшем американцы столкнулись с фактами, идущими вразрез и с той и с другой теорией. Сейчас исследования продолжаются - ученые ищут общую концепцию, пригодную для всех видов стекла, для всех его свойств и во всех условиях, но эта концепция еще не родилась.

У стекла есть одно свойство - оно известно уже много столетий,- которое могло бы оказаться ключом к разгадке структуры. Стекло — это некристаллическое вещество, но у него есть склонность к кристаллизации, образно говоря, «желанно» кристаллизоваться. Способность к кристаллизации подавлена в момент перехода в твердое состояние, но в благоприятных условиях может проявиться, как только получит к этому стимул. Можно сказать, что в стекле имеются «революционные напряжения», направленные к созданию внутреннего порядка. Благоприятные условия для «революционной» перестройки структуры может создать определенная температура: область, в которой стекло окончательно кристаллизуется, стеклоделы называют критической, а сам процесс кристаллизации — расстекловыванием, или девитрификацией.

Неожиданный союзник

Девитрификация является кошмаром для каждого директора стекольного завода. Прекрасная, прозрачная, аморфная стекломасса заполняется кристалликами, «камешками», которые превращают стекло в брак.

Девитрификаци считалась вредной много столетий. Но, как это уже не раз бывало в других областях техники, стеклоделы научились управлять своим «врагом», научились использовать его в своих интересах. Так родилась технология «управляемой рекристаллизации». Этот процесс по аналогии с каталитическим синтезом (аналогии, впрочем, не совсем точной) иногда называют каталитическим центрообразованием. Катализатором, вызывающим лавину, является очень малое количество некоторых элементов, добавленное к расплаву. При определенных температурах они создают в аморфном веществе центры кристаллизации, и это приводит к образованию решетки.

Тверже стали, легче алюминия

В результате термической обработки в присутствии центрообразователей стекло перестает быть стеклом. Оно превращается: в вещество с удивительными механическими свойствами. Называют это вещество по-разному - «ситалл», «стеклокерамика» или «пирокерам».

Ситаллы называют материалом будущего, но уже сегодня они находят применение в промышленности. Они незаменимы там, где нужны износостойкие и особо легкие детали машин, работающие в тяжелых условиях, где нужен материал легко формирующийся и очень прочный. Ситаллы используют также для сварки стеклянных изделий, например, кинескопов, работающих в условиях глубокого вакуума. Область применения ситаллов поистине безгранична - от кухни (жаропрочная посуда) до космических кораблей. Вскоре мы, по-видимому, совсем привыкнем к управляемой рекристаллизации и забудем, что у его истоков стоял такой высокотеоретический вопрос - решетка Захарпасена или кристаллит Лебедева.

Продолжение следует.

Многие люди даже не подозревают о том, что вокруг нас есть множество предметов и вещей, которые имеют удивительные свойства. В этой статье обсудим твердость некоторых материалов и интересные результаты, которые получаются на основе этих свойств.

В 1994 году большое землетрясение ударило близ Лос-Анджелеса, убив 57 человек, и поранив более 5 000. Материальный урон достиг невероятных 20 миллиардов долларов. Такие землетрясения заставляют нас задуматься. Насколько твердая земля под нашими ногами? Что вообще значит понятие твердости?

Каменноугольный пек кажется твердым, но это не так. На самом деле он является очень вязкой жидкостью, т.е. он жидкий. Вязкость - это мера сопротивления растеканию. Оливковое масло примерно в 100 раз вязче воды, а мед в 100 раз вязче масла. Вязкость пека больше вязкости воды в 230 миллиардов раз. В Кливлендском университете над пеком проводится самый продолжительный в мире эксперимент. В 1927 году пек был помещен в воронку. За 90 лет из нее упало всего 9 капель. Никто не присутствовал при падении капли. В 1988 году хранитель эксперимента Джон Мейнстон был близок к тому, чтобы увидеть как падает капля. Он вышел из комнаты, чтобы налить себе чаю и пропустил заветный момент. Вы можете наблюдать за этим экспериментом онлайн, но так как последняя капля упала в 2014 году, то вряд ли Вам удастся в ближайшие годы увидеть заветное падение.

Другое вещество, которое является вязкой жидкостью - это стекло. Стекло необычно тем, что оно является аморфным телом. Молекулы диоксида кремния не составляют упорядоченную структуру. Стекло охлаждается настолько быстро, что при переходе из жидкого в "твердое" состояние, молекулы не имеют времени выстроиться в упорядоченную кристаллическую структуру. Визуально твердым стекло делают атомы или молекулы, которые настолько сильно скреплены друг с другом химически, что они не могут проскальзывать рядом с другими.

Однако отсутствие упорядоченной кристаллической структуры делает стекло всё же жидким, даже когда оно находится в визуально твердом состоянии. Именно из-за того, что стекло на самом деле жидкое, в оконных рамах в старых домах, где окна простояли уже по несколько десятков лет, хорошо заметно, что стекла тоньше вверху чем внизу. Это связано с тем, что некоторая часть стекла за долгие годы уже стекла сверху вниз. Поэтому в таких домах окна дребезжат в рамах, ведь вверху они уже тоньше, чем подготовленный для них зазор. Иногда этот эффект настолько заметен, что сверху образуется даже щель.

Идем дальше. Что мы знаем про внутреннюю часть Земли? Под земной корой находится мантия, которая отвечает за движение тектонических плит и землетрясения. Твердая она или жидкая? Мы никогда не сможем увидеть мантию напрямую, но можем наблюдать лаву, которая является раскаленным камнем. Можно представить, что мантия очень на нее похожа. Мантия должна быть жидкой, потому что ей нужно течь, правильно? На самом деле нет, потому что мантия является твердым телом. Волны с двигательным землетрясением могут распространяться сквозь мантию, но эти волны не могут передвигаться сквозь жидкости, что является подтверждением ее твердости. Каким же образом твердый камень течет? Ответ находится в неидеальности кристаллов, у которых может не хватать нескольких атомов. Вязкость мантии походит на вязкость стекла, только на несколько порядков выше. Мантия становится похожа на жидкость, но только в геологические отрезки времени. Пек - это жидкость, которая может течь так медленно, что кажется твердым телом. А мантия земли - это твердое тело, которое ведет себя как жидкость, если подождать достаточно долго.

Твердость и пластичность не имеет абсолютного значения, а только относительное. И все тела на самом деле одновременно жидкие и твердые. Когда в деле огромная масса и сила, то разница теряет значение. Твердые определения, которые мы для себя создаем, приводят к неправильным представлениям и вязким слухам.