Стекло
Железо и сталь прославлены как строительный материал индустриальной эпохи, но и скромное стекло, о котором мы зачастую забываем (буквально глядя сквозь него), сыграло в прогрессе человеческой цивилизации ключевую роль. Стекло, один из первых материалов, созданных человеком, изобрели в Месопотамии, колыбели первых городов, где-то в III тыс. до н. э. Мы с вами увидим, как стекло с его уникальным сочетанием удивительных свойств послужило развитию науки. Но начать следует с базовых сведений о его производстве.
Вероятно, вы знаете, что стекло получают из расплавленного песка или, точнее, из очищенного кремнезема (диоксида кремния). Но если просто бросать песок в огонь, результата не будет: огонь погаснет. Дело в том, что кремнезем имеет чрезвычайно высокую температуру плавления, около 1650 °C. Это намного выше, чем можно получить в обычной печи, и потому сварить стекло, просто зная главный компонент рецепта, не удастся. Иногда стекло рождается естественным путем: в пустыне, порывшись в песке, если повезет, можно найти длинные полые трубки расплавленного кремнезема, зачастую похожие на сложное сплетение древесных корней. Эти образования называются фульгурит, или «окаменевшая молния», и возникают они, когда разряд молнии бьет в сухой песок. Электрический ток проходит сквозь почву и разогревает ее до такой высокой температуры, что крупицы кремнезема спекаются вместе и получается стеклянная трубка.
Поскольку обуздать и запрячь молнию вам не удастся, производя стекло, придется понизить температуру плавления кремнезема до той, которая достижима в печах, для чего используется подходящий флюс. Отличным флюсом послужит поташ или кальцинированная сода, но, как мы увидим в главе 11, вторую, если применить некоторые химические знания, гораздо легче производить в промышленных объемах. Поэтому без малого все выпускаемое сегодня стекло для окон и бутылок — натриево-кальциевое, раствор кальцинированной соды и известняка в песке, застывающий при обычных температурах.
Керамический тигель из огнеупорной глины заполняют крупинками кремнезема и кристаллами соды. В горячей печи карбонат натрия разлагается (выделяя углекислый газ) и растворяется в кремнеземе, понижая температуру его плавления настолько, чтобы в печи можно было получить стекло. Выделившийся углекислый газ в соединении с кислородом и азотом, который в исходной смеси связан, насыщает расплав пузырями, пенит его. Поэтому температура в печи должна быть достаточно высокой, чтобы расплав долго оставался жидким, и тигель нужно выдержать в огне, пока все пузырьки не выйдут и стекло не станет чистым. Однако стекло, изготовленное из кремнезема и флюса, растворяется в воде, что резко ограничивает его применение. Выход — досыпать в тигель еще один ингредиент, который сделает стекло нерастворимым: с этой задачей хорошо справляется оксид кальция — негашеная известь, с которой мы встречались в прошлой главе.
Кремнезем, основной компонент стекла, составляет более 40 % земной коры и мантии; это, безусловно, самое распространенное соединение в составе земных камней и скал. Но он часто пребывает в смеси с другими элементами (в том числе с металлами: в основном из кремнезема состоит шлак, выбрасываемый после плавки), а чтобы стекло вышло светлым и прозрачным, кремнезем должен быть как можно чище. Например, бурый оттенок, присущий большинству видов песка, объясняется присутствием оксидов железа, и готовое стекло они окрасят в зеленый цвет — что хорошо для винных бутылок, но не в оконном стекле или линзах телескопа. Наилучшим сырьем для прозрачного стекла послужит яркий белый песок или другой беспримесный кремнезем, например куски белого кварца, употребляемые для изготовления знаменитого венецианского «хрустального» стекла, или извлекаемая из мела кремневая галька, прекурсор английского «свинцового хрусталя» (то и другое, строго говоря, неверные названия, потому что атомы любого стекла перемешаны в полном беспорядке, без всякой кристаллической решетки).
Разумеется, немало стекла останется от прежней цивилизации. Уцелевшие стеклянные изделия можно использовать, битое стекло — вымыть и переплавить. Стекло — один из самых легкоутилизируемых материалов. Оно хорошо плавится в печи и принимает новую форму, и этот цикл можно повторять бесконечно без всякого износа материала (в отличие, например, от пластика). Но технология производства нового стекла понадобится для восстановления цивилизации в дальнейшем или если вы окажетесь на необитаемом острове. Строго говоря, тропические пляжи — идеальное место для сбора трех ингредиентов, необходимых для безупречного стекла: белоснежного песка без железных примесей, водорослей для получения кальцинированной соды и ракушек или кораллов для выжига извести.
Кремниевый расплав можно прямо из тигля лить в формы. Но есть гораздо более полезная технология, основанная на одном из удивительных свойств стекла. Дело в том, что вязкость стекла (или его текучесть) значительно варьирует в зависимости от температуры и потому с ним можно работать, когда оно пластично, но не слишком текуче — в этом состоянии его можно дуть. Набрав ком стекла на конец керамической или длинной металлической трубки, его можно надуть воздухом, придав нужную форму вращением в воздухе либо при помощи матрицы.
В наше время жизнь немыслима без окон, освещающих наши жилища и офисные небоскребы, впускающих поток света в наши искусственные пещеры, но в то же время не впускающих туда стихии. Первыми, примерно в I в., стеклить окна стали римляне, используя небольшие кусочки литого стекла, а китайцы еще в конце I тыс. затягивали окна бумагой, пропитанной для прозрачности маслом. Столетие за столетием оконное стекло выдували и расплющивали вращением: заметные ямки в центре стекол старых сельских домов и пабов — это следы трубки стеклодува. В наше время огромные и безупречно ровные стеклянные панели делают, выливая стекло в ванну с расплавом олова, где оно растекается по поверхности ровным слоем. Но в ходе возрождения цивилизации после конца света стекло найдет целый ряд других важнейших применений.
Незаменимым материалом для окон стекло стало благодаря своему главному свойству: конечно, прозрачности. Это само по себе редкое свойство для материи. Но качеств, какими не может похвастать ни одно другое вещество, у стекла целый набор. И значит, оно бесконечно важно для науки: именно стекло позволяет нам изучать явления природы, замеряя различные их характеристики, на основе чего создаются все более совершенные прикладные технологии. Например, принцип действия барометра и термометра, первых научных инструментов, состоит в показе меняющегося уровня жидкости в трубке. Эти колебания невозможно было бы увидеть, не будь у нас такого прозрачного, но твердого материала, как стекло.
Для микроскопических исследований образцы материала также выкладывают на предметное стекло — твердую основу, пропускающую свет. Стекло — прочный материал и годится для изготовления герметичных сосудов, в которых можно создавать вакуум. Вакуумные трубки нужны для генерации рентгеновских лучей (см. главу 7), и они сделали возможным открытие электронов и других элементарных частиц. Без герметичных колб не будет гореть ни лампочка накаливания, ни люминесцентный свет: в них создается специальная газовая среда, а стекло пропускает свет вовне.
