The Glass Age: что для цивилизации значит стекло

Технологичное образование: как создаются кадры для наноиндустрии

Как узнать больше о наноиндустрии? И так, чтобы понятно и интересно? И желательно из первых рук? Лучшим решением будет пойти к профессионалам. К примеру, Фонд инфраструктурных и образовательных программ группы «Роснано» развивает онлайн-проект «Стемфорд». На платформе собраны материалы для учителей и учеников, которые позволяют больше узнать о естественных науках и познакомиться с основами нанотехнологий. Мы пересказываем основные тезисы вебинара, который в марте 2020 года провел Георгий Юрьевич Шахгильдян, кандидат химических наук, ассистент кафедры химической технологии стекла и ситаллов РХТУ им. Д. И. Менделеева. Вебинар посвящен самому актуальному материалу нашего времени —стеклу. Именно благодаря стеклу возможно большинство новых технологий, которые мы используем, и именно стекло стало материалом, который определяет сегодняшнюю цивилизацию.

Стекло как основа науки

Телескоп

Стекло можно обработать таким образом, что получится линза, с помощью которой можно приближать и рассматривать изображения и предметы. Именно линзы сделали возможным появление очков, телескопов и биноклей, а люди благодаря им смогли наблюдать за космосом. Еще в XVII веке итальянский физик Галилео Галилей
изучал поверхность Луны с помощью телескопа.

Барометр

В результате одного из экспериментов итальянский ученый Эванджелиста Торричелли открыл вакуум, то есть замкнутое пространство, где отсутствует воздух. Экспериментируя с ртутью — металлом, который при нормальной температуре находится в жидкой форме, Торричелли использовал стеклянную трубку. Прозрачность стекла позволяла увидеть, на какой уровень поднимается ртуть, а плотность помогала создать вакуум. В результате в 1644 году был создан первый барометр — прибор, с помощью которого можно измерять атмосферное давление.

Микроскоп

Двое великих ученых XVII века с созвучными фамилиями — Роберт Гук и Антони ван Левенгук — разработали микроскоп, который позволил заниматься изучением микрообъектов. Ученые механически обрабатывали и находили подходящие составы стекол, которые помогали увеличивать и рассматривать объекты. Благодаря стеклу им удалось создать и открыть эру микробиологии — изучения микрообъектов от насекомых до бактерий.

Лампа накаливания

Ученый и предприниматель Томас Эдисон запустил поточное производство лампочек, корпус которых был сделан из стекла. Ему удалось оптимизировать производство стекла таким образом, что технология стала масштабируемой. Эдисон наладил массовое производство электрических лампочек, и они стали общедоступным товаром массового потребления.

Чем стекло отличается от кристалла

Стекло и кристалл имеют одинаковые структурные единицы — кислород и кремний. Но их расположение у стекла более хаотичное: стекло не обладает ровной повторяющейся структурой кристалла, структура стекла аморфна. В 1932 году была выдвинута теория о «непрерывной неправильной сетке», в которой отличие стекла от кристалла сводилось к разности структур. Впоследствии было доказано, оксид кремния в кристаллах имеет кристаллическую структуру, а в стекле — аморфную. Нагретый до конкретной температуры кристалл превратится в расплав, а если нагревать стекло, то оно постепенно будет становиться более вязким и только после этого превратится в расплав.

С точки зрения физики, мольный объем стекла больше, чем кристалла. Из-за того что стекло имеет такую «неправильную» структуру, оно занимает больше места. Чтобы это понять, достаточно представить коробку и кубики, которые складывают в нее. Если складывать их хаотично, то кубики займут больше места, получится неполная неплотная упаковка. Это невыгодно и с точки зрения того, кто собирает кубики, и с точки зрения физики или термодинамики. Стекло имеет энергетически невыгодную структуру и стремится стать кристаллом, поэтому те, кто работает со стеклом, пытаются сделать все возможное, чтобы не допустить его кристаллизации — важно сохранить его свойство термически нестабильной системы, удобной в других отношениях.

Один из современных видов стекла, которое используется повсеместно, — биостекло.

Стекло: физика и химия

Стекло может быть прозрачными, но это не является его однозначным признаком. Само понятие прозрачности зависит не от типа материала, а от диапазона прозрачности. Например, пластиковая бутылка может быть прозрачной, а пластиковая ручка может быть непрозрачной, хотя сделаны они, казалось бы, из одного материала. Когда мы говорим о прозрачности стекла, мы говорим о видимом диапазоне. Существуют еще рентгеновский и инфракрасный диапазон. Они позволяют просветить объекты, абсолютно закрытые от нас в обычных условиях.

Стекло уникально тем, что его можно сделать практически из всех элементов таблицы Менделеева. Из 118 элементов таблицы Менделеева 82 элемента можно использовать для создания стекол. Стекла могут быть разными по структуре и химическому составу. Существует органическое стекло (оргстекло) — это различные пластики на основе углерода, металлические стекла, которые только начинают входить в производство. Самый распространенный вид стекла, почти 95% мирового производства, — это оксидные стекла. Из них порядка 75 % — силикатные, то есть стекла на основе кремния.

Жидкие радиоактивные отходы заливаются в расплав стекла, варятся в специальных больших печах и превращаются в куски стекла

Стекло и радиоактивные элементы

Существуют стекла с ураном, радиоактивным элементом. Оксид урана массово добавлялся в стекло до середины XX века, получалась урановая посуда, у многих она по-прежнему хранится дома. Если посветить на урановую посуду ультрафиолетовой лампочкой, можно увидеть, как она засветится. Несмотря на опасность урана, согласно исследованиям, такая посуда имеет совсем небольшой радиоактивный фон, сильно ниже допустимой нормы, поэтому она не может нас облучить.

Сейчас в стекле хранят радиоактивные элементы. Закапывать их в землю нельзя, поэтому были придуманы такие методы, как хранение в стеклянных баках. Стекло хорошо удерживает радиоактивные отходы и не дает им утечь. Один из методов обработки стекла для подобных целей называется витрификация («стеклование», от латинского vitrum — «стекло» и латинского facio — «делаю, превращаю»). Жидкие радиоактивные отходы заливаются в расплав стекла, варятся в специальных больших печах и превращаются в куски стекла (как правило, черного цвета). После они отправляются на длительное хранение в капсулах. Стекло из специального, очень инертного химического состава частично поглощает вредную энергию, а в случае затопления хранилища с такими отходами стекло не позволит им загрязнять атмосферу. Эта экологическая инициатива существует во многих странах, в том числе в России.

Новые виды стекла

Один из современных видов стекла, которое используется повсеместно, — биостекло. Оно встречается в зубных пастах, пластырях, кремах. Как правило, биостекло существует в виде порошков, микрошариков. В зубную пасту добавляют микрошарики со фтором. Шарики остаются на эмали зубов, постепенно разлагаются и наполняют зубы питательными элементами. Кроме того, существуют специальные ваты, пластыри из биостекла, с ними раны заживают быстрее. В зависимости от своего химического состава, стекло может быстро растворяться, а может и не растворяться вовсе.

Для упрочнения стекол используется метод химического упрочнения. Ионы натрия заменяются на ионы калия, что приводит к ионному упрочнению поверхностей. Пластинки стекла погружаются в специальную ванну, из стекла выходят ионы натрия, ионы калия, это приводит к возникновению поверхностных натяжений, которые связаны с определенными химическими явлениями. Поверхность стекла становится более прочной. Сейчас идет работа над новым материалом — ситаллом, или стеклокристаллическим металлом. Этот тип материала был разработан еще в XX веке под руководством советского физикохимика И. И. Китайгородского. Метод производства ситаллов основан на нагреве стекла, что приводит к образованию нанокристаллов. На данный момент исследования показывают, что ситалл намного более прочный, чем любое существующее стекло.