O szkle

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

W literaturze można spotkać wiele mniej lub bardziej poprawnych definicji szkła, czy też jak wolą niektórzy stanu szklistego. Najbardziej popularne jest prawdopodobnie 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 przy czym nie posiadają one możliwości przemieszczania się lub też możliwość ich ruchu 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 - jej wartość w warunkach normalnych jest taka sama jak dla krystalicznych ciał stałych. Wiele szkieł nie skrystalizuje nigdy, nawet w skali czasu wszechświata.

Twierdzenie, że szkło jest ciecząlub przechłodzoną cieczą jest nieprawdziwe. Ze względu na właściwości reologiczne jest to ciało stałe. Ponadto określenie ciecz przechłodzona jest zdefiniowane i oznacza ono tylko tyle, że dana substancja poniżej temperatury krystalizacji znajduje się w stanie ciekłym ze wszystkimi tego konsekwencjami tj. nadal jest płynna, jej molekuły mogą się między sobą przemieszczać, innymi słowy jej lepkość jest nadal mała. W przypadku szkła tak klasycznego - z więźbą krzemionkową, jak 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.

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. zeby do niej doszło stop musi przebywac 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. 10⁶K/s), które uniemożliwi utworzenie krystalicznej struktury.

Surowcem do produkcji tradycyjnego szkła jest piasek kwarcowy oraz dodatki, najczęciej: węglan sodu (Na₂CO₃) i węglan wapnia (CaCO₃), topniki: tlenki boru i ołowiu (B₂O₃, PbO) oraz pigmenty, którymi są zazwyczaj tlenki metali przejściowych (kadm, mangan i inne). Surowce są mieszane, topione w piecu (tzw. wannie szklarskiej) 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(III) i chromu(III),
• szkło niebieskie zawiera związki kobaltu(II) i miedzi(II),
• szkło fioletowe zawiera związki manganu(VII),
• szkło żółte zawiera związki kadmu i siarki,
• szkło czerwone zawiera koloidalne cząsteczki złota.