Раскрыта загадка аморфности стекла — Газета.Ru

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 (SiO₂), соды (Na₂CO₃) и извести (CaO). В результате получается химический комплекс с составом Na₂O•CaO•6SiO₂.

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 M₂O / B₂O₃ (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.

Кристаллическая решетка

Существует огромное количество кристаллических структур. Их объединяет главное свойство кристаллического состояния вещества – закономерное положение атомов в кристаллической рештке. Одно и то же вещество может кристаллизоваться в разных кристаллических рештках и обладать весьма различными свойствами (классический пример графит – алмаз). Это явление называется полиморфизмом, а в случае простых веществ – аллотропией. В то же время разные вещества…

Читать дальше

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.

close

100%

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 статья 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.

Конфокальная микроскопия

Приставка «кон-» во многих языках означает сопряжение, соединение связь. У объектива оптического микроскопа существует две плоскости – фокальная, куда помещается рассматриваемый объект и, сопряженная ей, конфокальная, куда объект проецируется. Эта проекция и рассматривается обычно наблюдателем через окуляр. В конфокальном микроскопе самая важная его деталь помещается в эту конфокальную плоскость. Деталь эта – диафрагма с крошечным отверстием…

Читать дальше

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.

История происхождения ливийского стекла — свойства стекла и область применения

Ливийское стекло – это один из видов тектита, редкой породы, имеющей метеоритное, либо кометное происхождение. Данный минерал встречается лишь в одном месте на нашей планете. Это поистине удивительный материал, дорогой и очень красивый. Ливийское пустынное стекло настолько ценное, что оригинал запрещен к вывозу с территории Египта. Это приводит к тому, что данный минерал очень часто подделывают.

По утверждениям мистиков, он имеет ярко выраженные магические свойства, способен влиять на физическое и ментальное здоровье обладателя такого изделия. В статье мы расскажем вам о том, что такое ливийское стекло, откуда оно берется и что из него делают.

История ливийского стекла

По утверждениям ученый, пустынное стекло – как еще называют этот материал, образовалось как результат падения метеорита на территории древнего Египта около 30 млн. лет назад. В результате многовекового взаимодействия с песком и другими материалами земного происхождения образовался стеклообразный желтоватый материал, имеющий мутную текстуру. Издревле ливийское стекло использовалось для создания красивейших поделок для высокопоставленных лиц.

Самый известный пример использования этого минерала – потрясающий медальон фараона Тутанхамона, который был обнаружен в его гробнице. Медальон представляет собой поразительное произведение ювелирного искусства, в центре которого небольшая фигурка скарабея – священного для египтян насекомого, изготовленная как раз из этого таинственного минерала. Фигурка окружена крыльями, декоративными элементами из золота, других драгоценностей. Нередко минерал использовался древними египтянами для изготовления и более практичных предметов – например, холодного оружия, скребков.

Нам известно только одно место добычи данного материала – кратер Кебира, расположенный в глубинных областях Ливийской пустыни. Аналогичные по виду материалы, добываемые в других местах, являются подделками.

Свойства ливийского стекла

Ливийское пустынное стекло не только поразительно красивый, но и очень прочный материал. Это возможно благодаря уникальному сочетанию трех основных его компонентов:

• Диоксид кремния. Этот кристаллический материал и создает структуру ливийского стекла, определяет его огромную прочность и способность противостоять огромным температурным нагрузкам (температура плавления материала составляет +1728 градусов по Цельсию). В составе содержится 98% диоксида кремния.
• Космическая пыль. Составляет около 2% ливийского стекла и позволяет при химическом анализе определить, является ли минерал подлинным, или перед исследователем – всего лишь одна из многочисленных подделок.
• Иридий.

Цвет может меняться от светло-желтого до зеленоватого. Активными исследованиями минерала занимались в конце 90-х годов в Италии, где было выявлено, что возникновение такого вещества в естественных природных условиях нашей планеты невозможно.

Сторонники мистических свойств редких минералов космического происхождения утверждают, что у данного вещества есть способность улучшать обмен веществ при регулярном ношении изделий из него, он облегчает состояние дыхательных путей при легочных заболеваниях.

Где используется

Учитывая невероятную редкость и ограниченное количество минерала (всего было добыто менее 1 500 тонн ливийского стекла) он очень ценится, используется для изготовления самых дорогих ювелирных изделий, сережек, колец, браслетов.

В каталоге нашей компании представлено различные виды стекла и зеркал. Например, зеркальная плитка с фацетом.

Автор: Виктор Большаков

Виктор Сергеевич Большаков родился 15 апреля 1964 года в Туле и является опытным оператором стеклоформующих машин с более чем 25-летним стажем работы. Ещё будучи молодым, он проявлял интерес к технике, поэтому после окончания средней школы поступил в технический колледж для получения специализации в области стеклообработки.

После окончания колледжа Виктор начал свою карьеру оператора на одной из фабрик города Тула. Здесь он приобрел все необходимые навыки и знания о работе со стеклообрабатывающим оборудованием. Позже переехал в Москву, продолжая работать на должности оператора формующих машин.

За долгие годы работы Виктор получил большое количество сертификатов и наград за высокий уровень профессионального исполнения своей работы: от сертификации первого класса до разработки новых методов формирования материала или безопасности на рабочем месте.

Сегодня Большаков продолжает выполнять свою работу с таким же энтузиазмом и профессионализмом, что и в его первые годы работы. Его сертификаты и награды свидетельствуют о том, что он является высококвалифицированным специалистом в области стеклообработки и оперирования формующих машин.

Все статьи автора

История стекла — Факты о стекле

Люди использовали природное стекло, особенно обсидиан (вулканическое стекло), прежде чем научились делать стекло. Обсидиан использовался для изготовления ножей, наконечников стрел, украшений и денег.

Древнеримский историк Плиний предположил, что финикийские купцы изготовили первое стекло в районе Сирии около 5000 г. до н.э. Но согласно археологическим свидетельствам, первое стекло, изготовленное человеком, было в Восточной Месопотамии и Египте около 3500 г. до н.э., а первые стеклянные сосуды были изготовлены около 1500 г. до н.э. в Египте и Месопотамии. В течение следующих 300 лет стекольная промышленность быстро развивалась, а затем пришла в упадок. В Месопотамии он возродился в 700 г. до н.э., а в Египте – в 500 г. до н.э. В течение следующих 500 лет Египет, Сирия и другие страны на восточном побережье Средиземного моря были центрами производство стекла.

Вначале производство стекла было очень трудным и медленным. Стеклоплавильные печи были небольшими, и выделяемого ими тепла едва хватало для плавки стекла. Но в I веке до нашей эры сирийские мастера изобрели трубку для выдувания. Это революционное открытие сделало производство стекла проще, быстрее и дешевле. Стекольное производство процветало в Римской империи и распространилось из Италии во все страны, находившиеся под ее властью.
В 1000 году нашей эры египетский город Александрия был важнейшим центром производства стекла. По всей Европе чудесное искусство создания витражей для церквей и соборов по всему континенту достигло своего апогея в прекраснейших Шатре и Контербери 9.0005 окна собора производства 13-14 веков.

Самым первым известным людям каменного века стеклом, которое использовалось для изготовления оружия и предметов декора, был обсидиан, черное вулканическое стекло. Самое раннее известное искусственное стекло датируется примерно 3500 г. до н.э., его находят в Египте и Восточной Месопотамии. Открытие стеклодувного дела около 1 века до нашей эры стало крупным прорывом в производстве стекла.

Стекло было впервые изготовлено в древнем мире, но мало что известно о первых попытках человека сделать стекло. Амулеты и массивные бусы изготавливались в Месопотамии еще в 2500 г. до н.э. Позже производство стекла получило дальнейшее развитие в Египте около 1500 г. до н.э.

Вы когда-нибудь задумывались, как делают стекло? Что входит в состав стекла? Сколько существует видов стекла? Здесь вы можете прочитать о процессе производства стекла и сопутствующей информации.

История производства стекла

Ко времени Крестовых походов производство стекла было развито в Венеции, и она стала центром стеклоделия западного мира. В 1291 году оборудование для производства стекла было перевезено на остров Мурано. В 15 веке венецианский стеклодув Анджело Баровье создавал кристаллическое, почти бесцветное, прозрачное стекло в ящиках. К концу 1500-х годов многие венецианцы отправились в северную Европу в поисках лучшей жизни, где они основали фабрики и привезли искусство венецианского стеклодува.

К 1575 году английские стеклодувов производили стекло по венецианской моде. В 1674 году английский стеклодув Джордж Равенскрофт изобрел свинцовое стекло.

Первый стекольный завод в Соединенных Штатах был построен в Джеймстауне, штат Вирджиния, в 1608 году. В 1820-х годах эпоха выдувания отдельных бутылок, стаканов и фляг закончилась изобретением ручной машины. В 1870-х годах была представлена ​​​​первая полуавтоматическая бутылочная машина.

После 1890 года использование стекла , разработка и производство стали быстро расти. Оборудование было разработано для точного непрерывного производства множества продуктов. В 1902 году Ирвинг В. Колберн изобрел машину для волочения листового стекла, которая сделала возможным массовое производство оконного стекла. В 1904 году американский инженер Майкл Оуэнс запатентовал автомат для выдувания бутылок.

В 1959 году сэр Аластер Пилкингтон ввел новое революционное производство флоат-стекла, благодаря которому 90% плоского стекла все еще производится сегодня.

Подробную информацию по этой теме читайте во всех наших статьях.

История стекла: откуда взялось стекло?

В настоящее время стекло — это то, что большинство из нас считает само собой разумеющимся, и не так много мест, где его нельзя найти. От стеклянных бутылок до зеркал, экранов мобильных телефонов и, конечно же, окон с двойным остеклением — он зарекомендовал себя как чрезвычайно универсальное творение.

Но откуда взялось стекло? Когда было изобретено стекло?

Хотя это может быть один из самых широко используемых материалов в мире, он также является одним из самых непонятых. Многие предметы, которые мы считаем стеклом, на самом деле вовсе не сделаны из стекла, а на самом деле представляют собой тип керамики, процесс производства которого полностью отличается от типа стекла, которое мы поставляем здесь, в KLG. Стеклянные изделия, такие как оконные стекла, фартуки и столешницы, обычно называют листовым стеклом или листовым стеклом, как его также называют.

В этой статье мы окунемся в историю производства стекла, в частности листового стекла, и узнаем, как оно стало неотъемлемой частью нашей жизни…

Мало что известно о первых попытках изготовления стекла, но широко распространено мнение, что производство стекла началось более 4000 лет назад в древнем ближневосточном регионе, известном как Месопотамия (где сейчас расположены Ирак, Кувейт и восточная Сирия). Древние римляне были теми, кто приписал рождение стекла этой области, потому что пляжный песок, как известно, активно использовался в этой области для изготовления стекла.

Из чего сделано стекло?

Также считается, что способность создавать стекло развивалась в течение длительного периода времени, во время многих экспериментов по смешиванию кремнезема (песка) и кварца со щелочью (кальцинированной содой), которые были основой для первых изделий из стекла.

Существует также теория, согласно которой производство стекла возникло в результате других производств с высокими температурами, таких как гончарное дело, где гончары использовали смесь для создания блестящей, красочной глазури для своих изделий. Но это всего лишь теория, и никто точно не знает.

Где впервые было изготовлено стекло?

Что мы знаем точно, так это то, что древние египтяне в конце концов разработали стекло как уникальное вещество около 1500 г. до н.э.

ЛЮБОПЫТНЫЙ ФАКТ: несмотря на то, что современные технологии позволяют нам производить стекло в гораздо больших количествах, первоначальный рецепт ингредиентов, необходимых для основного стекла, который был усовершенствован в Древнем Египте, остается почти таким же. Если он не сломан, не чините его, верно?

Восточное побережье Средиземного моря стало центром производства стекла, а Египет и Сирия лидировали. Сырье сплавлялось вместе в мастерской для изготовления слитков или необработанных кусков пригодного для использования стекла, которые можно было перерабатывать и формовать или отливать в различные формы. Стеклодувы также знали, как окрашивать стекло с помощью оксидов металлов, таких как оксид кобальта и оксид меди, — красителей, которые используются до сих пор.

Производство стекла было очень медленным процессом и долгое время практически не менялось, примерно до 100 г. до н.э., когда сирийский мастер изобрел духовую трубку. Это революционное творение сделало производство стекла проще, быстрее и дешевле. В результате стекольное производство процветало в Римской империи, распространившись на все страны под ее властью, особенно в Италию.

Перенесемся на пару сотен лет вперед, примерно в 100 г. н.э., когда римляне Египта начали разрабатывать первое подобие плоского оконного стекла, раскатывая горячее стекло на гладкую поверхность. До этого момента стекло использовалось для создания декоративных предметов, таких как тарелки, миски и украшения, поэтому производство оконных стекол стало поворотным моментом в производстве стекла. Считавшиеся в то время высшей роскошью, окна не были ни прозрачными, ни ровными, но они были достаточно хороши, чтобы служить своему прямому назначению.

К 1000 году нашей эры город Александрия стал эпицентром производства стекла, но к 13 веку Европа превратила производство оконных стекол в искусство. Витражи теперь становились популярным зрелищем в церквях и соборах по всему континенту, а дизайн становился все более сложным и амбициозным по мере развития техники.

К середине 1600-х годов французы начали совершенствовать метод производства продукта под названием «широкое стекло». Длинные стеклянные цилиндры выдувались, затем разрезались и разворачивались в почти плоский прямоугольник. Затем прямоугольник шлифовали и полировали, чтобы получить более четкое и ровное стекло.

Как производили стекло в 1800-х годах?

К концу 1800-х годов стекло производилось и использовалось почти в каждом здании по всему миру. В рецепт добавлялись новые добавки, что означало, что огромные стеклянные цилиндры можно было выдувать, а затем охлаждать перед резкой алмазом. Затем стекло снова нагревали и опускали на другой кусок полированного стекла, что помогало сохранить поверхность.

Все изменилось в начале 1870-х годов, когда некий мистер Уильям Пилкингтон (вы можете узнать это имя по Pilkington Glass) изобрел машину, которая произвела революцию в производстве стекла для коммерческого использования, позволив производить более крупные листы стекла в более быстром темпе. и за меньшие деньги. Это было первое из многих инновационных изобретений в области производства стекла, сделанных семьей Пилкингтон.

Стекло в 1900-х годах

Процессы производства стекла практически не менялись до конца 1950-х годов, когда другой член семьи Пилкингтон, сэр Алистар Пилкингтон, изобрел процесс флоат-стекла. Этот метод стал поворотным моментом в производстве стекла и проложил путь для многих процессов, которые мы используем до сих пор.

В процессе производства флоат-стекла расплавленное стекло (температура которого достигает более 1000 градусов по Цельсию) непрерывно выливается из печи в большую неглубокую ванну с расплавленным металлом, обычно оловом.