Forskjell mellom versjoner av «Glass»

Revisjonen fra 20. okt. 2009 kl. 14:11

av Svein Stølen, Kjemisk institutt, Universitetet i Oslo. [Hjemmeside]

Gi oss vårt daglige glass

Det er uenighet om et glass rødvin om dagen er til det beste for mennesket (kropp og sjel) eller ikke. Vi skal ikke ta stilling til det her, men uttrykk som ”et glass i ny og ne” er interessante. De fokuserer ikke på drikken, men på materialet som det drikkes av! Dette understreker den viktigste egenskapen til glasset sett fra en vinkjenners ståsted. Glass er inert, det vil si ikke-reaktivt. Det reagerer ikke med vinen, gir ikke tilleggsmak og er dermed ideelt for formålet. Dette tar vi i vårt dagligliv i stor grad for gitt.

Glass er nemlig et materiale som vi alle føler vi kjenner godt og som vi typisk vil karakterisere som gjennomsiktig, sterkt og glatt, men også skjørt eller sprøtt.
Glass er så mangt. Det glasset vi drikker av er forskjellig fra glasset i vindusrutene på hytta, og vi krever selvfølgelig helt andre egenskaper for glasset i frontvinduet på den nye firehjulsjeepen enn av ”vanlig” vindusglass. Vi bruker glass i så mange forskjellige sammenhenger at vi knapt legger merke til de ulike funksjonene. Optiske brilleglass viser glass som et funksjonelt materiale. Glass har også en helt klar funksjon i vårt nye staselige Universitetsbibliotek.

Men her og i mange andre sammenhenger er det estetiske vel så viktig. Vi pynter hjemmene våre med vakre glassfat, selskapsbordet med krystallglass og beundrer arkitektenes bruk av glass i moderne bygninger. Selv om estetikken er viktig så kan dette ikke uten videre skilles fra egenskapene til glasset. Krystallglasset i krystallkronene på slottet funkler flott fordi glasset som benyttes har en høy brytningsindeks. Glasset sprer lys godt. Når glasset samtidig er relativt mykt så gir dette unike muligheter. Glasset kan slipes og formes og dette er en annen forutsetning for fargespillet.
Glass er også et moderne materiale som utvikles i stadig nye retninger. Vi merker ikke denne utviklingen så lett i hverdagen, men utviklingen finner sted. Et eksempel er fiberoptikken som er i ferd med å revolusjonere kommunikasjon og datateknologi. I andre tilfeller er fremskrittene ikke like iøynefallende. Overflatebehandling av glass gir oss for eksempel selvrensende glass og lavemisjonsglass som redusere utgiftene til oppvarming og avkjøling. Andre spesialglass, som det tar år å produsere, hjelper oss å se langt tilbake i historien - til å forstå universets skapelse.

Plinius den eldre

(død 79 e.kr.) beskriver i sitt 10 bindsverk ”Naturalis historia” hvordan fønikiske sjømenn under et strandhugg ikke finner steiner til å sette kokekarene på. De finner en nærliggende løsning. Skipets last bestod nemlig av natron (NaHCO₃) som på de tider ble benyttet til balsamering av lik. Klumper av natron ble dermed brukt som støtte for kokekarene. Forsøket gikk lenge bra, men etterhvert ble natronklumpene varme og reagerte med sanden. Plinius den eldre beskriver en væske som fløt i strie strømmer fra bålets sentrum for så å størkne i kaldere soner i utkanten av bålet. Dette er den første skriftlige nedtegningen av menneskelig ”glassproduksjon”. Men til tross for at den romerske forfatteren og historikeren beskriver dette som opphavet til menneskelaget glass, så vet vi i dag at de første glassproduktene ble laget i Mesopotamia (dagens Irak) mer en 2200 år før dette og ikke på kysten av Fønikia (dagens Libanon og Syria). Den vitenskaplige historien er full av eksempler på at viktige oppdagelser skjer tilfeldig, og det første glasset ble nok også laget ganske tilfeldig. Det er imidlertid ikke tilfeldig at fønikerne like etter Kristi fødsel laget glass på en strand hvor tang, tare og skjell ble skyllet opp, knust og blandet med fine sandpartikler. Denne blandingen er nemlig optimal for produksjon av glass, og man kan finne naturlige millimetertynnne glassrør, fulguritter, i slik sand. Disse er dannet ved lynnedslag. Hva er så bindeleddet mellom en sandstrand og glassproduksjon? Sand består i stor grad av silisumdioksid (SiO₂), tang og tare er en kilde til kaliumkarbonat (K₂CO₃), mens skjell inneholder kalsiumkarbonat (CaCO₃). Dette er hovedbestanddeler i vanlig glass.

Fra sand til glass

Grunnstammen i vanlig glass er kvartssand, SiO_2. Soda (natriumkarbonat) eller pottaske (kaliumkarbonat) tilsettes som fluksmiddel og gjør at sanden smelter ved en mye lavere temperatur enn ren kvartsand, som først smelter ved temperaturer over 1700 °C. I tillegg tilsettes stabilisatorer som gjør glasset motstandsdyktig mot vann og de fleste kjemikalier. Vanlige stabilisatorer er kalk (kalsiumkarbonat), blymønje (blyoksid) og baritt (bariumkarbonat). Denne blandingen smeltes først til en væske for å sikre at det endelige glasset blir homogent. Så avkjøles smelten. Her er det viktig at den uordnen som er tilstede i smelten ved høye temperaturer ikke rekker å organisere seg. Smelten må ikke krystallisere. I stedet underkjøles væsken, det vil si at den avkjøles til temperaturer som er under smeltetemperaturen til den opprinnelige blandingen. Når temperaturen gradvis reduseres, får atomene i den underkjølte væsken gradvis mindre bevegelsesenergi. I et bestemt temperaturområde stivner den underkjølte væsken og egenskapene til massen går fra å være smelteliknende til å bli faststoffliknende. Den underkjølte væsken har blitt et glass.

Det viktigste ved glassproduksjonen er at krystallisering unngås og at det meste av den uordnen man har tilstede i smelten beholdes i glasset. På den annen side må glasset man lager behandles med omtanke. Dersom avkjølingsprosessen er for rask, vil glasset få store indre spenninger og lett gå i stykker. Både avkjølingsprosessen og den etterfølgende temperaturbehandlin gen er derfor svært viktig. Figuren til venstre viser viskositeten til en smelte som funksjon av temperatur. Høy viskositet tilsvarer en seigtflytende masse, og en væske blir generelt mer seigtflytende jo lavere temperaturen er fordi atomene/molekylene får mindre bevegelsesenergi. Selv om smeltene/glassene vi fokuserer på her er relativt seigtflytende flyter massen så godt ved temperaturer over smelte¬punktet at den ikke kan formes. Ved noe lavere temperaturer vil den underkjølte væsken fortsatt ha en lav viskositet, men likevel være seigtflytende nok til at den kan formes (se figuren over). Det er i dette temperaturintervallet glassblåserne arbeider. Avkjøles smelten for mye, ender man opp med en masse som er formfast og uegnet for glassblåsing. Likevel er det mye ”liv” i den underkjølte smelten. Molekylene beveger seg i en evig og rask dans. Smelten må avkjøles ytterligere for å komme i det andre temperaturintervallet som er viktig for en glassblåser; temperaturintervallet hvor molekylene kan relaksere, hvor lokale spenninger løses opp uten at det er nok molekylær bevegelse til at nye stressituasjoner oppstår. Som med mennesker, gjør litt ”massasje” underverker. Glass varmes etter forming opp til disse temperaturene hvor spenningene løses opp (se figuren på forrige side). Mens man i produksjonen av kunstglass kan ha behov for temperaturbehandlinger som tar fra et par timer til noen få dager, så vil man i andre tilfeller kreve langt mer omfattende prosedyrer. Linser til teleskoper kan for eksempel gjennomgå kontrollert temperaturbehandling som strekker seg over mange måneder.

Glass dør en voldsom død

heter det, og Prince Ruperts av Bavaria (1619¬1682) visste å benytte seg av det. Han laget glassdråper ved å avkjøle smelter raskt i vann.

Dråpene som dannes får da en tykk kropp og en tynn hale. Prinsen likte å vise sine gjester at glassdråpene tålte harde slag med en hammer så lenge man fokuserte slaget på selve dråpen. I etterkant la han typisk en dråpe i hånden på en intetanende gjest, hvoretter han knep av halen.
Resultatet var at de store indre spenningene som var oppstått ved den raske avkjølingen, fikk fritt utløp, og glasset splintret i små biter. Noe som ikke alltid var like hyggelig for den spøken gikk ut over.
Prinsippet bak denne effekten benyttes også i moderne glassproduksjon. Glass er skjørt og gir skarpe skår når det går i stykker. I mange sammenhenger er dette lite ønskelig og direkte livsfarlig. Hva kan vi gjøre for å øke styrken og redusere splintfaren? Vi kan herde glasset på samme måte som Prince Ruperts. Overflaten til glasset avkjøles raskt ved relativt høye temperaturer. De indre delene av glasset vil dermed være mye varmere enn de ytre delene. Når så de indre delene avkjøles, får vi en fordelaktig spenningsprofil i glasset. De indre delene av glasset strekkes. De atomære bindingene klarer ikke å relaksere fordi de ytre delene allerede er avkjølt og dermed ikke i stand til å gi etter. De hindrer relaksasjonen, og de ytre delene av glasset vil derved effektivt bli utsatt for kompresjonsspenninger. Resultatet er et hardt glass som tåler mye og som har masse iboende spenninger som gjør at glasset pulveriserer når det først går i stykker. Et slikt glass kan likevel skade. I bilglassvinduer kombineres derfor det herdede glasset med en elastisk plastfolie som gjør at glasset når det smuldrer blir hengende (laminert glass). Et slikt komposittmateriale med mange lag glass og laminering gir skuddsikkert glass.

Ikke alle glass er gjennomsiktige

og ikke alle glass er harde eller inerte. I det daglige tenker vi på melkeglass, vinduer og briller. Det finnes imidlertid mange glass som er svært annerledes. I prinsippet kan alle typer smelter eller væsker avkjøles så fort at de ikke rekker å ordne seg (krystallisere) under avkjølingen. Uordnen som er til stede i væsken beholdes, og vi får dannet glass. I kopieringsmaskiner utnytter man for eksempel lysømfintligheten til amorft selen (selenglass).
Det finnes også metalliske glass. Den mikroskopiske strukturen til metaller kan man enkelt beskrive med utgangspunkt i like store klinkekuler. Dersom man heller en stor mengde klinkekuler i en beholder, vil disse relativt lett finne seg en ordning som gir en så tett kulepakning som mulig. I en metallsmelte er det mye mer uorden, og denne uordnen kan fryses inn dersom man avkjøler smelten fort nok. For metalliske glass benyttes avkjølingshastigheter i størrelsesorden 106 til 108 oC per sekund. Avkjøles smelten for sakte, krystalliserer den. Alternativt kan man produsere et glass ved å blande inn noen klinkekuler av en litt annen størrelse. Det har vist seg at det ofte er fordelaktig om disse er mindre, og mens det kan være vanskelig å lage metallisk glass av rent nikkel, er relativt enkelt å lage metallisk glass av nikkel tilsatt litt silisum eller bor. Disse metalliske glassene som typisk produseres i tynne bånd, har andre egenskaper enn krystallinsk metall. De er for eksempel ofte meget korrosjonsbestandige. Men vi skal i denne korte oversikten konsentrere oss om glass i mer folkelig forstand.