Стекло структура: Из чего делают стекло. Виды, способы изготовления стекла ☑️ EraGlass

Содержание

2. Состав и структура стекла

Стекло принадлежит
к классу неорганических материалов,
находящихся в состоянии, промежуточном
между жидким и твердым.

Химический состав
стекла
различен в зависимости от требований,
предъявляемых к свойствам стеклоизделий,
от условий эксплуатации, а также способа
выработки. Главной стеклообразующей
частью большинства стекол является
кремнезем (SiO₂),
который вводят в состав стекла с песком
или кварцем. Состав оксидов, образующих
стекла, ограничен главным образом
оксидами, обладающими кислотными
свойствами:, B₂O₃,
P₂O₅,
оксиды мышьяка и германия, а кроме того,
и вещества, не являющиеся оксидами,
например, сера, селен и флюорид свинца,
также могут образовывать стекла. Кроме
стеклообразователей имеется ряд оксидов,
которые входят в состав стекла. Они
называются модификаторами сетки
(каркаса) стекла. К ним относятся основные
оксиды щелочных и щелочноземельных
металлов — Na₂O,
K₂O,
MgO,
CaO.
К третьей категории веществ относятся
некоторые оксиды, которые в чистом виде
не могут образовать каркаса стекла, но
могут включаться в состав уже существующей
сетки. Это – промежуточные оксиды.
Примерами служат глинозем и оксид
бериллия.

Стекла представляют
собой сложные системы, состоящие не
менее чем из пяти окислов. Названия
стекол зависят от содержания в них тех
или иных окислов: натриево-известковые,
калиево-известковые, фосфатные, боратные,
калиево-свинцовые (хрустальные) и др.

Структура
стекла.
Стекло является изотропным материалом,
так как по всем направлениям в среднем
имеет однородные структуру и свойства.
Однако само строение стекла, т.е.
внутреннее расположение его частиц
окончательно не определено. Это связано
с тем, что разные стека имеют различное
строение, наблюдаются различия даже в
строении основной массы стека и
поверхностного его слоя, и кроме того,
на строение стека влияет технологический
процесс и другие факторы. Предложено
несколько теорий строения стекла:
кристаллитная; ионная; агрегативная.

По кристаллитной
теории стекло состоит из кристаллитов.
Кристаллиты — это мельчайшие, очень
деформированные структурные образования.
Кристаллитная теория позволила объяснить
изменение коэффициентов термического
расширения стекла, показателей преломления
свет при различных температурах.

Согласно ионной
теории стекло представляет собой
непрерывную сетку с ионами или их
группами в определенных положениях, но
в отличии от настоящих кристаллов эта
сетка не имеет симметрии и определенной
периодичности. На основании этой теории
можно объяснить изменение цвета при
введении красителей в стекло.

Агрегативная
теория строения стекла исходит из того,
что в стекле всегда существует усложненные
группировки – агрегаты молекул. При
нагревании происходит распад этих
группировок, при охлаждении сложность
агрегатов и их число растут. При быстром
охлаждении стекломассы вязкость
возрастает, атомы не успевают занять
нужное положение, возникает неуравновешенное
состояние стекла, которое устраняется
отжигом.

Производство
стеклянных изделий состоит из трех
основных этапов: получение стекломассы;
формирование изделий; обработка изделий.

Получение
стекломассы

Сырьевые материалы
делят на главные или стеклообразующие
и вспомогательные.

К главным,
стеклообразующим материалам
относятся вещества, с помощью которых
в стекломассу вводят кислотные, щелочные
и щелочноземельные окислы, обеспечивающие
получение изделий с необходимыми

физическими и
химическими свойствами. К ним относятся
кварцевый песок, борная кислота или
бура, полевой шпат, каолин, сода и сульфат
натрия, поташ, известняк и мел, доломит,
сурик, окиси цинка, алюминия, магния,
кальция и бария, нефелин, стеклянный
бой и другие соединения. Кварцевый песок
служит основным сырьем для введения в
состав стекла кремнезема, которого в
нем содержится от 60 до 75 %. Лучшим
считается песок без примесей окрашивающих
окислов, в том числе окислов железа,
титана, хрома. Наиболее вредными примесями
являются соединения железа, которые
придают стеклу желтовато-зеленоватую
окраску, что резко снижается светопропускание
и ухудшает внешний вид готовых изделий.

Борная кислота
или бура необходимы для введения в
стекло борного ангидрида, образующегося
после разложения при высокой температуре.
Он понижает коэффициент расширения,
химическую и термическую устойчивость
и прочность изделий.

Полевой шпат –
исходное сырье для введения в состав
стекла глинозема (Al₂O₃).
Для этой цели используют также каолин,
являющийся продуктом разложения полевого
шпата. Он замедляет скорость варки, но
способствует осветлению стекломассы,
повышает термическую и химическую
стойкость, механическую прочность и
твердость, снижает коэффициент
термического расширения стекла.

Сода служит для
введения в состав стекла окиси натрия.
Недостаток соды – большое содержание
вредных примесей хлористого и сернокислого
натрия, окиси железа. С аналогичной
целью чаще применяют сульфат натрия
как более дешевое и менее дефицитное
сырье по сравнению с содой.

Поташ – основное
вещество для введения в состав стекла
окиси калия. Окись калия придает изделиям
блеск, прозрачность, уменьшает способность
к кристаллизации.

Известняк и мел
применяют для введения окиси кальция,
которая придет стеклу химическую
устойчивость и способствует осветлению
и ускорению варки стекломассы.

Окись магния
снижает термическое расширение стекла
и уменьшает способность к кристаллизации,
а также повышает его вязкость, прочность
и химическую устойчивость.

Цинковые белила
служат для введения в стекло окиси
цинка, который повышает химическую и
термическую стойкость стекла, а также
прочность при сжатии и растяжении.
Изделия, содержащие окись цинка, сильно
преломляют лучи света, отличаются
повышенным блеском и прозрачностью.

Сурик используют
при производстве ценных хрустальных
изделий и оптического стекла с высокой
плотностью, характерным блеском и игрой
света.

Изделия с окисью
свинца легко поддаются гранению, хорошо
шлифуются, полируются, сильно преломляют
лучи света, имеют пониженную химическую
устойчивость, поглощают рентгеновские
лучи. Недостаток свинцового хрусталя
– высокая чувствительность к
окислительно-восстановительным условиям
варки. Этого недостатка лишен бариевый
хрусталь, практически не отличающийся
от свинцового хрусталя.

Стекольный бой
способствует ускорению процесса варки
стекломассы. Химический состав боя
должен соответствовать составу основной
шихты, т.к. разный состав приводит к
изменению процесса варки стекломассы.
В состав стекломассы вводят от 15 до 30 %
стекольного боя.

Основными
вспомогательными
материалами
являются красители, глушители,
обесцвечиватели, осветлители, окислители,
восстановители и ускорители варки
стекломассы.

Красители вводят
в шихту для придания стеклу определенного
цвета. К молекулярным красителям (их
большинство) относятся, как правило,
окислы тяжелых и редкоземельных металлов
(Co,
Ni,
Mn,
Cu,
Cr)
Закись кобальта придает стеклу синий
цвет (0,1-0,5 %) или фиолетово-синий с
красноватым оттенком (более 0,5 %). При
совместном введении соединений кобальта
и перекиси марганца получают стекла
пурпурного, фиолетового и черного
цветов. Перекись марганца окрашивает
калиево-кальцевые стекла в
красновато-фиолетовый цвет, а
натриево-кальцевые – в фиолетовый
или в красновато-фиолетовый цвет. Окись
меди придает стеклу
голубой (1–2 %) или зеленый цвет, а
окись хрома – зеленый. Стекло желтого
цвета может быть получено при введении
в стекломассу сернистого кадмия,
сернистого железа, окиси урана. Закись
железа окрашивает стекло в сине-зеленый
цвет, окись железа – в желтый, а при
совместном действии – зеленый цвет.
Белый цвет придает двуокись олова;
черный цвет – окись марганца (12–13 %)
и сульфаты железа.

Коллоидно-дисперные
красители окрашивают стекло после
тепловой обработки (наводки). К таким
красителям относятся золото, серебро,
медь, селен, сурьма, а также сульфиды
свинца, железа, меди, кадмия, селена и
др. Их применяют для получения
рубиново-красного стекла. Золотой рубин,
например, получают при добавлении в
стекломассу 0,02 % хлорного золота и
двуокиси олова. При использовании
сульфидов цинка, изменяя соотношение
компонентов можно получать стекла от
прозрачных до полностью заглушенных,
от светло-зеленых, серых, сиреневых,
бирюзовых, голубых оттенков до почти
черных тонов.

Глушители вводят
в шихту для придания стеклу молочно-белого
цвета, а также для устранения его
прозрачности и увеличения рассеивающей
способности. Такие стекла называются
глушенными. В качестве глушителей
применяют фосфорнокислые соли кальция,
костяную муку, тальк.

Обесцвечиватели
устраняют либо ослабляют нежелательный
цвет или оттенок. Различают химическое
и физическое обесцвечивание. При
химическом обесцвечивании в шихту
вводят вещества (селитра, трехокись
мышьяка, двуокись церия и др.), выделяющие
при разложении большое количество
атомного кислорода. При
физическом обесцвечивании подбирают
краситель, нейтрализующий окраску
стекла закисью железа, например, перекись
марганца, селен, закись никеля, и др.

Осветлители вводят
в шихту, чтобы освободить стекломассы
от различных включений газа и воздуха,
а также окислить закись железа до окиси.
К ним относятся вещества, которые при
разложении выделяют большое количество
газа, способствующего перемешиванию
стекломассы и объединению мелких
разрозненных пузырьков в крупные
(трехокись мышьяка, селитру, сульфат
натрия, аммониевые соли и др.)

Окислители и
восстановители используют для создания
и поддержания соответствующей среды
при варке стекломассы, для окисления
закиси железа.

Подготовленные
соответствующим образом сырьевые
материалы взвешивают на автоматических
весах и тщательно перемешивают по
определенной рецептуре для получения
однородной по составу порошкообразной
смеси – шихты.

Весь процесс варки
стекломассы можно разделить на основные
этапы: силикатообразование,
стеклообразование, осветление,
гомогенизация и охлаждение стекломассы
до рабочей вязкости.

Силикатообразование
начинается с удаления гигроскопической
воды (при 100–120 С),
затем при дальнейшем нагревании
образуется натриево-кальциевый карбонат,
при 600 С
начинается выделение углекислого газа,
при 740–800 С
появляется расплав, активно взаимодействующий
с кремнеземом, образуется метасиликат.
Заканчивается силикатообразование при
температуре около 1000 С.
Стеклообразование
протекает при температуре 1150–1500 С
и отличается большей интенсивностью
диффузных процессов. Стекломасса
становится более прозрачной и подвижной,
но в ней еще много газовых и твердых
включений. При осветлении
стекломасса
освобождается от газовых и воздушных
включений. Осветление проводят при
температуре 1450–1500 С,
при этом вязкость стекломассы понижается,
что облегчает удаление из нее пузырей.
Гомогенизацию
проводят при максимальной температуре
варки одновременно с осветлением
стекломассы. Стекломасса выдерживается
в спокойном состоянии, выравнивается
по химическому составу и освобождается
от стекловидных включений – свилей.

Стекломассу
охлаждают до вязкости, при которой из
нее можно сформировать изделия
(200–300 С).

Основными факторами,
ускоряющими варку стекломассы и влияющими
на ее качества, являются температура,
величина поверхности нагрева шихты и
степень дисперсности зерен песка.
Основными причинами образования дефектов
являются неоднородный состав шихты,
нарушение температурного и газового
режимов варки, парциального давления
в печи и стекломассе. Варку стекломассы
осуществляют в печах непрерывного и
периодического действия. Время варки,
например, посудного стекла 16–18 часов.

Формование
изделий

В зависимости от
вида, размера, массы, назначения, сложности
формы и химического состава изделий
применяют ручной
или машинные способы формования. Ручным
способом изготовляют изделия сложной
формы и высокохудожественные.

Применяют следующие
методы формования изделий: прессование,
выдувание, прессовыдувание, вытягивание,
прокатку, литье, а также комбинированный
метод сочленения, центробежного вращения
и плавающей ленты. Стабильную форму
однотипным изделиям придают в чугунных
или стальных пресс-формах, внутренняя
поверхность которых покрыта нержавеющими
жароупорными сплавами.

Прессование
изделий
производят в специальных пресс-формах,
внутренняя поверхность которых может
быть с рельефным рисунком или гладкой.
Формы бывают неразъемные и разъемные,
состоящие из двух или более частей.
Методом прессования изготовляют изделия
с толстыми стенками, закругленными
ребрами и углами, плоские, цилиндрические,
несколько суживающиеся книзу. Рисунок
на поверхности изделий всегда имеет
острые грани.

Выдувание
– ручное (свободное) и механизированное
(в формы) применяют для изготовления
разнообразных изделий сложной формы,
чаще всего полых. При ручном выдувании
основным инструментом является
специальная полая трубка длиной 1200–1400
мм.

При механизированном
способе изделие выдувают и формуют в
металлической раскрывающейся форме.
Формование изделия, которое имеет ножку,
ручку и другие детали, проводят в
несколько этапов: вначале формуют корпус
изделия со стеблем, затем к нему
присоединяют основание ножки и т.д. Этим
способом изготовляют изделия разнообразные
по форме, размерам и сложности. Поверхность
этих изделий без швов.

Прессовыдувной
метод
формирования сочетает прессование и
выдувание. Для прессовыдувных изделий
характерно наличие шва от соединения
двух (или более) частей формы, что ухудшает
их внешний вид и упрощает композицию.

Метод сочленения
– комбинированный: элементы изделия
формуются отдельно, а затем сочленяются
в горячем состоянии. Этот метод более
производителен, но изделия часто
разрушаются по месту сочленения.

Методом литья
получают изделия художественно-декоративного
назначения, скульптуру и оптическое
стекло. Стекломассу заливают в специальную
форму, где она охлаждается и принимает
очертания формы. Этим методом вырабатывают
изделия полнотелые и пустотелые.

Методом
центробежного вращения
изготовляют полые, крупногабаритные и
тяжелые изделия. Металлическую форму
определенного размера, установленную
на вращающемся столе, заполняют
стекломассой, которая при вращении под
действием центробежной силы равномерно
распределяется по стенкам формы. После
формирования пресс-форму раскрывают,
изделие извлекают и подвергают
соответствующей обработке.

Метод вытягивания
и прокатки
применяют для получения листового
стекла.

После формования
изделиям придают соответствующий
внешний вид и необходимые свойства
путем дальнейшей тепловой, химической
или механической обработки. К такой
обработке относятся отжиг, отрезка
колпачка (для выдувных изделий), обработка
края (шлифовка, огневое оплавление) и
др.

При формовании
между внутренними и поверхностными
слоями стеклоизделий наблюдается
значительный перепад температур
вследствие быстрого охлаждения. При
этом в толще стекла остаточные напряжения,
которые отрицательно влияют на прочность
стеклянных изделий, резко снижая ее. Во
избежание этого изделие после формования
подвергают отжигу. Отжиг заключается
в нагреве изделий до температуры начала
размягчения (530–580
⁰С),
выдержке при этой температуре и медленном
охлаждении.

Структура и свойства стекла и стеклоизделий

Главная

Инфоблок

Аналитика, экспертные мнен…

Структура и свойства стекл. ..

В ходе процесса производства стекла и особенно на стадии его охлаждения возникает такая структура, которая может быть охарактеризована как промежуточная между полной беспорядочностью частиц жидкого расплава и полной упорядоченностью частиц вещества в кристаллическом состоянии. В стекле наблюдается лишь ближний порядок расположения частиц, что и обуславливает изотропность его свойств.

Плотность обычного строительного силикатного стекла – 2,5 г/см³. В зависимости от содержания различных добавок стекла специального назначения имеют плотность от 2,2 до 6,0 г/см³.

— подробно узнать о всех работах, выполняемых в составе экспертизы, можно в разделе:

«Строительно-техническая экспертиза. Судебная экспертиза.»

Плотность теплоизоляционных стеклоизделий меняется в пределах 15-600 кг/см³.

Прочность и деформативность стекла. Расчетный теоретический предел прочности при растяжении стекла составляет 12000 МПа, технический – 30-90 МПа, что объясняется наличием в стекле микронеоднородностей, микротрещин, внутренних напряжений, инородных включений и др. Предел прочности при сжатии стекла может составлять 600-1000 МПа и более. Предел прочности стеклянных волокон диаметром 4-10мка достигает 1000-4000 МПа. У стекла отсутствуют пластические деформации. Хрупкость является главным недостатком стекла, которое плохо сопротивляются удару. Прочность обычного стекла при ударном изгибе составляет всего 0,2 МПа.

— подробно узнать о всех работах, выполняемых в составе обследования, можно в разделе:

«Обследование конструкций, помещений, зданий, сооружений, инженерных сетей и оборудования.»

Оптические свойства стекол являются их важными свойствами и характеризуются показателями светопреломлением, отражением и рассеиванием. Обычные силикатные стекла пропускают всю видимую часть спектра и практически не пропускают ультрафиолетовые и инфракрасные лучи. Коэффициент направленного пропускания света стелами достигает 0,89.

Теплопроводность стекол меняется от состава в пределах 0,5-1,0 Вт/(м*°C). Теплопроводность теплоизоляционных стеклоизделий составляет 0,032-0,14 °C. Из-за малого значения коэффициента температурного расширения обычное стекло имеет относительно малую термостойкость.

— подробно узнать о всех работах, выполняемых в составе исследований и экспертизы, можно в разделе:

«Исследование конструкций и материалов. Экспертиза деталей, изделий, узлов, элементов и пр.»

Звукоизолирующая способность стекла относительно высока. По этому показателю стекло толщиной 1см соответствует кирпичной стене в полкирпича 12см.

Химическая стойкость стекла зависит от его состав. Силикатное стекло обладает высокой химической устойчивостью к большинству агрессивных сред за исключением плавиковой и фосфорной кислот.

Авторы: редакционная статья ТехСтройЭкспертизы

Техническая строительная экспертиза

Узнать стоимость и сроки online, а также по тел.: +7(495) 641-70-69; +7(499) 340-34-73; e-mail: [email protected]

Наиболее инновационные стеклянные здания

Simon Menges

Архитектура

Эти 11 конструкций предлагают четкий вид на множество применений Glass

org/Person»> от Eric Allen

декабря 28 декабря 2015 г.

Simon Menges
- Simon Menges
  - Simon Menges
    - Simon Menges
      - . легкое, но структурно прочное, стекло уже давно пользуется популярностью у архитекторов как средство открытия здания для окружающей среды, но при этом защищающее его от непогоды. Поэтому само собой разумеется, что наши современные провидцы будут изучать множество применений, способов обработки и отделки материала, чтобы создавать здания, которые явно возвышают нашу основную потребность в жилье до уровня высокого искусства. Будь то зеркало, отражающее свет, или матовое, чтобы рассеивать его, выгравированное замысловатым узором или пузырьковое, игриво искажающее зрение, стекло предлагает не только облегчение от упрямых, непрозрачных материалов, но и возможность наполнить фасад здания текучестью так, как ни одно другое стекло. материал может. Здесь Architectural Digest рассматривает 11 известных зданий и архитекторов, которые умело использовали стекло, чтобы предложить новое видение нежилых пространств, которые существуют не только для того, чтобы функционировать, но и для того, чтобы вдохновлять.
        Полупрозрачное ребристое стекло Филармонии в Щецине, Польша, доходит до корональных пиков круто скатной крыши. В здании, спроектированном архитектурным бюро Barozzi Veiga, есть большой симфонический зал и небольшое пространство для камерной музыки.
      - Брюс Дамонте
        Скошенные стеклянные панели штаб-квартиры Gores Group в Беверли-Хиллз, Калифорния, образуют круги и ромбы, придавая зданию мягкий, стеганый вид. Структура, проект Belzberg Architects из Санта-Моники, на самом деле имеет двухслойный фасад — внутренний слой стекла обеспечивает визуальную непрозрачность и конфиденциальность.
      - Собор Христа
        Собор Христа, неофициально известный как Хрустальный собор, в Гарден-Гроув, Калифорния, был самым большим стеклянным зданием в мире, когда он был завершен в 1980 году архитекторами Филипом Джонсоном и Джоном Берджи. Снаружи зеркальные стеклянные панели, прикрепленные к каркасу здания с помощью силиконового клея, органично отражают безмятежные окрестности. Внутри белый стальной каркас, напоминающий паутину, придает воздушность и теплоту стеклянному фасаду.
      - Филип Скалиа/Алами
        Волнообразные стены здания IAC Фрэнка Гери, где находится штаб-квартира InterActiveCorp на Манхэттене, плавно изгибаются и поднимаются вверх, разделившись на две части. Стеклянный экстерьер имеет окна на каждом этаже с переходом от прозрачного к белому, что добавляет мягкости визуальному движению конструкции.
      - Джефф Голдберг
        Зал правосудия округа Бронкс, завершенный Rafael Viñoly Architects в 2007 году, имеет фасад из гофрированного стекла и алюминия, который окружает залы суда и офисы внутри. Аккордеонный корпус сделан из панелей из фритированного стекла, которые добавляют непрозрачности снаружи конструкции, но при этом позволяют любоваться окружающим городом.
      - atlantide phototravel/corbis
        Магазин Prada в фешенебельном токийском районе Аояма использует вогнутые, выпуклые и плоские стеклянные панели в своей ромбовидной стеганой структуре, чтобы придать мягкое волнообразное движение острым углам здания. Дизайн Herzog & de Meuron не только потрясающий, но и визуально интерактивный: пузырьки стекла искажают вид внутри и снаружи, тихо играя с покупателями магазина.
      - Хорди Элиас Грассо
        Пять сооружений из матового стекла, названные их архитектором Стивеном Холлом «линзами», соединены подземными галереями и образуют здание Блоха, построенное в 2007 году в Музее искусств Нельсона-Аткинса в Канзас-Сити, штат Миссури. Полупрозрачные ящики фильтруют естественный свет экспонатов, содержащихся внутри, чему способствует тщательно спланированный интерьер, который перенаправляет свет на каждом шагу.
      Самое популярное
      - OMA
        Постмодернистское угловатое здание Центральной библиотеки Сиэтла, построенное в сотрудничестве между OMA в Роттердаме и LMN Architects в Сиэтле, выполнено из зеркального стекла и стальной обшивки. Около половины стекол состоят из трех слоев — алюминиевой сетки, зажатой между стеклом — для защиты посетителей от солнечного света.
      - Мишель Денансе
        Главный магазин Hermès в Японии Maison Hermès by Renzo Piano Building Workshop имеет фасад, полностью сделанный из стеклянных блоков. Днем блоки привлекают покупателей мягко размытым видом товаров, предлагаемых внутри, а ночью стекло пропускает свет наружу, как гигантский японский фонарь.
      - Iwan Baan
        Парусные стеклянные панели парижского фонда Louis Vuitton Фрэнка Гери меняют цвет и прозрачность в зависимости от времени суток и года, позволяя зданию соответствующим образом реагировать на окружающую среду.
      Самые популярные
      - Фото: Ян Биттер
        Библиотека Утрехтского университета в Нидерландах использует стеклянный фасад, украшенный абстрактным изображением окаменелого папируса, чтобы фильтровать свет внутрь. Wiel Arets Architects также использовали бетонные панели с рельефом того же изображения на отдельных частях здания.
      ИсследоватьАрхитектураинновационный дизайнinstagram
      Подробнее
      Путешествия
      11 общественных парков, которые нужно посетить, прежде чем умереть
      От городских парков, таких как Центральный парк Нью-Йорка, до тех, что окружают величие природы, таких как Национальный парк Столовой горы в Кейптауне, эти зеленые пространства нельзя пропустить
      Лаура Ицковиц
      Зазеркалье: странная атомная структура стеклообразных материалов
      Хотя стекло использовалось на протяжении всей истории, его атомная структура не была предложена до 20 ^го века. Тем не менее, некоторые загадки остаются и сегодня.
      В основополагающей статье The Journal of the American Chemical Society в 1932 году физик Уильям Х. Захариасен впервые предположил, что стекло состоит из трехмерных случайных сетей чередующихся атомов кремния и кислорода, соединенных в длинные поперечные связи. цепи.
      Структура, предложенная Захариасеном для стекла
      Он предположил, что основной структурной единицей является тетраэдр из одного атома кремния, окруженный четырьмя атомами кислорода, в котором тетраэдры имеют общие вершины.
      Он предположил, что сети не хватает вращательной симметрии и поступательной периодичности, присущих кристаллической структуре. Но откуда Захариасен или его коллеги узнали, что его радикальная идея в основном верна?
      Первое крупное доказательство в поддержку гипотезы Захариасена было получено в результате применения рентгеноструктурных исследований. Когда рентгеновские лучи освещают вещество, на фотопластинке появляются яркие узоры в виде пятен.
      Хотя эта технология, получившая Нобелевскую премию, разработанная Уильямом и Лоуренсом Брэггами, блестяще помогла объяснить рентгеновские картины кристаллов, ситуация с очками оставалась загадкой.
      Стекло производит серию тусклых широких колец, очень похожих на те, что находятся в жидкостях.
      Сначала предполагалось, что очки состоят из множества маленьких беспорядочно ориентированных кристаллов.
      Однако правильная интерпретация появилась в 1934 году, когда физик Б.Э. Уоррен математически показал, что случайная сеть, такая как описанная Захариасеном, может точно объяснить интенсивность и положение слабых широких колец, наблюдаемых при дифракции рентгеновских лучей.
      Сегодня изучение стекол с помощью рентгеновской и нейтронной дифракции превратилось в обширную и активную область, и эти ядерные методы обычно используются для извлечения так называемой «парной функции распределения» неупорядоченных материалов, меры распределения промежутков и промежутков между атомами.
      На самом деле теперь известно, что то, что мы обычно называем стеклом, двуокисью кремния (SiO ₂ ), является лишь одним примером очень распространенного типа «стекловидной» структуры, широко известной как аморфные материалы. И имеет большое семейство родственников в «металлических стеклах», «полимерных стеклах», «оксидных стеклах» и т. д.
      Даже сегодня многочисленные удивительные структурные, оптические, электронные и квантовые свойства стекла продолжают привлекать внимание исследователей.
      Хотя дифракция рентгеновских лучей и нейтронов обеспечивают очень полезную оценку структуры стекла, эти методы рассеяния наиболее чувствительны к распределению расстояний между атомами, усредненных по всему образцу (приблизительно 10 ²⁸ атомов).
      Измерения являются косвенными в том смысле, что они не дают прямого изображения ни одного отдельного атома. Однако в последнее десятилетие новые методы, такие как сканирующая туннельная микроскопия и атомно-зондовая томография, позволили исследователям напрямую «фотографировать» структуру стекол на уровне отдельных атомов.
      Исследователи из Института Фрица Габера в Германии прояснили атомную структуру в двумерной модели аморфного кремнезема с помощью сканирующего туннелирования и атомно-силовой микроскопии в статье, опубликованной в Physical Review Letters в 2012 году.
      Их доказательства, которые были получены использование двумерного стекла предоставило важную информацию о структуре трехмерного стекла.
      Предварительное сканирование выявило нерегулярные ячейки в сети, предложенной Захариасеном.
      Они также наблюдали переход от кристаллической структуры к аморфному состоянию, как показано их экспериментальными данными на рисунке ниже.
      
      . Изображение сканирующей туннельной микроскопии стекла SiO2 на поверхности из Phys. Преподобный Летт. 109, 106101 (2012).
      В аморфной структуре каждый атом кремния находился в плоскости, окруженной тремя атомами кислорода, как в кристаллическом кремнеземе. Однако кристаллический кремнезем образует правильную сотовую структуру, состоящую исключительно из шестиугольников в плоскости.
      Согласно их наблюдениям, атомы кремния и кислорода поочередно располагаются в отдельных слоях кремнезема и образуют сеть колец, расположенных рядом друг с другом.
      Они обнаружили, что размеры колец сильно отличаются от прямоугольных колец, содержащих всего четыре атома, до колец, содержащих девять и более атомов.
      Большинство колец были шестиугольными. Кольца были меньше, если число их атомов отклонялось от шести.
      Итак, кроме окон, для чего полезно стекло?
      Именно механические, электрические, химические, оптические и термические свойства стекла, определяемые его химическим составом и атомной структурой, делают его очень полезным материалом с множеством применений. Некоторые типы очков используются даже в электронике и сверхпроводящих квантовых вычислениях.
      «Структура стеклообразных аморфных твердых тел затрудняет их понимание на теоретическом уровне; однако они часто обладают отличными физическими свойствами. Мои исследования касались новых магнитных и электронных свойств аморфных материалов», — сказала доктор Джули Карел, исследователь из Монаша и Центра передового опыта ARC в области электроники с низким энергопотреблением, которая использует рентгеновские, нейтронные и ионно-лучевые методы для изучить электронные свойства стекол.
      «Одна из замечательных особенностей очков заключается в том, что, будучи внутренне неупорядоченными, они часто очень устойчивы к дополнительным внешним беспорядкам. Например, мы проводили эксперименты в Центре ускорительной науки и Австралийском центре рассеяния нейтронов, изучая эффекты облучения ионным пучком в очках, и обнаружили, что они часто более устойчивы, чем их кристаллические эквиваленты», — добавила она.
      Аналогичным образом, поскольку стекло используется в качестве формы ядерных отходов для безопасного хранения радиоактивных материалов, оно часто исследуется в ANSTO исследователями отработавшего топлива.
      Несколько методов спектроскопии и дифракции использовались в ANSTO в исследовании, опубликованном в Журнале Американского керамического общества , о потенциальной пирохлорной стеклокерамике, содержащей радиоактивные отходы, богатые актинидом.
      Керамика была подвергнута горячему изостатическому прессованию (ГИП) в анализе, который позволил лучше понять структуру границы раздела сред для поддержки использования ГИП в качестве универсального процесса горячего уплотнения для обработки радиоактивных отходов. В группу исследователей отработавшего топлива ANSTO входили д-р Инцзе Чжан, Тао Вэй, Алан Сюй, Пранаш Дьял и д-р Дэниел Грегг. Они пришли к выводу, что этот подход может быть принят для изучения взаимодействия форм отходов в условиях HIP в более широком плане, включая различные формы отходов и типы материалов металлических контейнеров.
      В более общем смысле, часто стекловидные структуры могут обладать оптическими и электронными свойствами, совершенно отличными от их кристаллических родителей. Например, большая международная группа исследователей использовала пучки терагерцового/дальнего инфракрасного излучения, малоуглового рассеяния рентгеновских лучей и порошковой дифракции на австралийском синхротроне в своем исследовании стекол для металлоорганических каркасов. В исследовании, опубликованном в журнале Science , они сообщили о новом классе композитов, изготовленных путем жидкофазного спекания кристаллических перовскитов из галогенидов свинца и цеолитных имидазолатных каркасных стеклянных матриц. Исследование показало, что промышленные методы обработки порошка могут создавать высокоэффективные композиты, подходящие для оптоэлектронных устройств. Ученый-инструменталист доктор Доменик Аппарду был соавтором статьи.
      Другая работа Австралийского центра нейтронного рассеяния по стеклам включает крупное международное исследование фазового перехода жидкость-жидкость в переохлажденной жидкости стеклообразующего сплава цирконий-медь-алюминий-серебро. Исследование способствовало более глубокому пониманию структуры и фазовой стабильности металлических жидкостей. Методы множественного рассеяния нейтронов использовались в исследовании, опубликованном в Applied Physics Letters . Специалист по приборостроению профессор Эллиот Гилберт был соавтором статьи и других подобных исследований металлических жидкостей.
      Очки могут даже дать ключ к разгадке далекого прошлого и культурного наследия людей, которые их использовали. Методы анализа ионного пучка в Центре ускорительных наук использовались исследователями Университета Отаго для определения использования и распространения обсидиана (естественного вулканического стекла) культурными группами лапита. Поскольку каждый источник обсидиана имеет уникальную сигнатуру элемента, его происхождение можно определить с помощью гамма-излучения, индуцированного протонами (PIGE), и рентгеновского излучения, индуцированного протонами (PIXE). В исследовании, опубликованном в Бюллетень Индо-Тихоокеанской доисторической ассоциации, археологи сравнили артефакты с источниками обсидиана, чтобы продемонстрировать, что тысячи лет назад между далекими островами существовали непрерывные путешествия туда и обратно.
      Так что же заставляет стекло вести себя иначе, чем кристалл при температуре окружающей среды и низкой температуре?
      Стеклообразное состояние — это необычная фаза вещества, а атомная структура обусловлена тем, как оно образовано.
      Смесь материалов нагревают до высокой температуры до тех пор, пока она не станет расплавленной и вязкой (со способностью течь), а затем быстро охлаждают в воде (закаливают).
      «Атомам не дается достаточно времени или достаточно тепловой энергии, чтобы организоваться в идеально упорядоченные решетки. Вместо этого они превращаются в некое беспорядочное метастабильное твердое тело», — объяснил доктор Дэвид Корти, специалист по приборостроению в ANSTO, который работал над металлическими стеклами.
      «Есть интересные стекла, которые образуются даже при низких температурах. Низкотемпературные свойства стекол, как структурные, так и магнитные, наименее изучены», — сказал доктор Корти. «Основная ситуация заключается в том, что случайная сеть атомов в стекле подвергается дополнительным атомным колебаниям и квантовому туннелированию при низкой температуре, обычно не встречающимся в кристаллах».
      «Примером этого является стекловидный оксид алюминия, используемый в прокладочном слое в сверхпроводящих цепях, которые являются основой квантовых вычислений, но стекло является основным источником неприятных шумов и декогерентности в цепных соединениях».
      Изображение стекла на поверхности кристаллической частицы алюминия, полученное с помощью сканирующего просвечивающего электронного микроскопа (снято в режиме HAADF). Острые точки — это кристаллическая область, а серое пятно — это стекло, вызванное отсутствием столбчатых промежутков между атомами стекла. Изображение предоставлено Центром электронной микроскопии Университета Вуллонгонга.
      Корти и исследователи из RMIT использовали нейтронную спектроскопию для изучения движения атомов в таких стеклах, которые естественным образом формируются на алюминиевых поверхностях. Электронная микроскопия выявила четко очерченные столбцы в кристаллической фазе и размытую поверхность в стеклообразной фазе ( над ).
      Источником размытой поверхности является случайное распределение атомов в стекле, чему способствуют атомные колебания атомов стекла.
      «Существует множество свидетельств того, что атомы в стекле движутся, подвергаясь дополнительным колебаниям даже при низкой температуре».
      «Третий закон термодинамики гласит, что изменение энтропии системы должно стремиться к нулю в идеальном кристалле при нулевой температуре, но в стекле этого не происходит. Эта остаточная энтропия связана с аномальной теплоемкостью даже при самых низких температурах», — пояснил доктор Корти.
      В статье, опубликованной в Physical Review Research в 2020 году, д-р Корти и его сотрудники использовали нейтронную спектроскопию для исследования загадочных низкотемпературных колебаний, известных как бозонные пики, в ультратонких образцах алюминиевых стекол (Al ₂ O ₃ ) со стеклообразной и кристаллической фазой.
      «Мы использовали моделирование для прогнозирования структур в диапазоне температур и проверили прогнозы на экспериментальных образцах с использованием сверхчувствительных нейтронных приборов».
      «Спектроскопия неупругих нейтронов является мощным инструментом для изучения сложных стекол, поскольку она предлагает как энергетическое, так и пространственное разрешение для измерения пикосекундной динамики».
      Доктор Корти провел исследование в Университете Вуллонгонга вместе с коллегами из группы теоретической, вычислительной и квантовой физики RMIT под руководством профессора Джареда Коула.