Стекло: ни твердое, ни жидкое вещество, этот распространенный, но сложный материал до сих пор удивляет ученых

Профессор материаловедения и инженерии, Пенсильванский университет

Кандидат наук в области материаловедения, штат Пенсильвания

Авторы не работают, не консультируют, не владеют акциями и не получают финансирования от какой-либо компании или организации, которым будет полезна эта статья, и не раскрыли никакой соответствующей связи, кроме своей научной должности.

Penn State предоставляет финансирование в качестве партнера-основателя The Conversation US.

Посмотреть всех партнеров

Стекло — многоликий материал: оно одновременно древнее и современное, прочное, но хрупкое и способное принимать практически любую форму и цвет. Благодаря этим свойствам стекла люди используют его для изготовления всего: от экранов смартфонов и оптоволоконных кабелей до флаконов с вакцинами.

Человечество тем или иным образом использовало стекло на протяжении тысячелетий, и исследователи до сих пор находят ему новые применения. Нередко можно услышать часто повторяемый факт о том, что стекло на самом деле является жидкостью, а не твердым телом. Но реальность гораздо интереснее: стекло не вписывается ни в одну из этих категорий и во многих отношениях является самостоятельным состоянием материи. Как два учёных-материаловеда, изучающих стекло, мы постоянно пытаемся улучшить наше понимание этого уникального материала и открыть новые способы использования стекла в будущем.

Лучший способ понять стекло — понять, как оно сделано.

На первом этапе изготовления стекла необходимо нагревать смесь минералов — часто кальцинированной соды, известняка и кварцевого песка — до тех пор, пока они не расплавятся в жидкость при температуре около 2700 градусов по Фаренгейту (1480 по Цельсию). В этом состоянии минералы свободно текут в жидкости и движутся беспорядочно. Если эта жидкость остывает достаточно быстро, вместо того, чтобы затвердевать в организованную кристаллическую структуру, как большинство твердых тел, смесь затвердевает, сохраняя при этом неупорядоченную структуру. Именно атомно-неупорядоченная структура определяет стекло.

В короткие сроки стекло ведет себя как твердое тело. Но жидкоподобная структура стекла означает, что в течение достаточно длительного периода времени стекло подвергается процессу, называемому релаксацией. Релаксация — это непрерывный, но чрезвычайно медленный процесс, при котором атомы в куске стекла медленно перестраиваются в более стабильную структуру. За 1 миллиард лет типичный кусок стекла изменит форму менее чем на 1 нанометр – примерно 1/70 000 диаметра человеческого волоса. Из-за медленной скорости изменений миф о том, что старые окна толще внизу из-за многовековой гравитации, притягивающей медленно стекающее стекло, не соответствует действительности.

В просторечии слово «стекло» часто относится к твердому, хрупкому, прозрачному веществу, состоящему из плавленого песка, соды и извести. Тем не менее, существует множество типов стекла, которые не являются прозрачными, и стекло может быть изготовлено из любой комбинации элементов, если жидкую смесь можно охладить достаточно быстро, чтобы избежать кристаллизации.

Люди используют стекло уже более 4000 лет, причем одними из первых его применений были декоративные стеклянные бусины и наконечники стрел. Археологи также обнаружили свидетельства существования стекольных мастерских возрастом 2000 лет. Одна такая древняя мастерская была обнаружена недалеко от Хайфы в современном Израиле и датируется примерно 350 годом нашей эры. Там археологи обнаружили куски необработанного стекла, стеклоплавильные печи, утилитарные стеклянные сосуды и мусор от выдувания стекла.

Современное производство стекла началось в начале 20 века с развитием технологий массового производства стеклянных бутылок и плоских стеклянных листов. Стекло стало важной частью индустрии электроники и телекоммуникаций во второй половине 20-го века и теперь составляет основу Интернета.

Сегодня ученые вышли далеко за рамки простого использования стекла в качестве материала для чашки или зеркала. На переднем крае исследований стекла находится возможность манипулировать его сложной атомной структурой и процессом релаксации для достижения определенных свойств.

Поскольку стекло атомно неупорядочено и постоянно меняется, любые две точки на куске стекла, скорее всего, будут иметь немного разные свойства – будь то прочность, цвет, проводимость или что-то еще. Из-за этих различий два одинаковых куска стекла, изготовленных одинаковым способом из одних и тех же материалов, могут вести себя совершенно по-разному.