Forskjell mellom versjoner av «Glass»

Fra mn/kjemi/kjemiportal
Hopp til: navigasjon, søk
Linje 45: Linje 45:
 
Vi skal her konsentrere oss om vanlige glass og da er det <br>naturlig å ta utgangspunkt i den viktigste bestanddelen, SiO2. Dette stoffet er bygd opp av en grunnleggende byggestein, et silisium atom omgitt av fire oksygenatomer. Disse fire oksygenatomene ønsker å være så langt fra hverandre som mulig, og det dannes derfor en tetraedrisk byggestein med et oksygenatom i hvert hjørne (se figuren til venstre). Hvert silisiumatom har fire naboatomer. I mange forbindelser så vil et kation, som silisium, være <br>omgitt av flere naboatomer. Dette er ikke fordelaktig dersom man ønsker å danne et glass. En av Zachariasens regler sier at metallet må ha få naboatomer. I tillegg må naboatomene, i dette tilfelle oksygen, være bundet til ikke mer enn to andre atomer. De to siste reglene sier at byggesteinene skal dele hjørner. En SiO4¬byggestein skal ha kontakt med en annen SiO4-byggestein kun via et hjørne som vist i figuren over, og totalt skal det ut fra dette dannes tredimensjonale nettverk. Reglene står seg meget godt også i dag og rasjonaliserer at glass ofte er basert på SiO2, GeO2, B2O3, eller P2O5. <br> Forskjellen på et krystallinsk materiale og et glass kan forstås fra måten byggesteinene settes sammen til tredimensjonale nettverk. Figurene til venstre illustrer dette, men forenklet til to dimensjoner. Venstre del av figuren viser et helt ordnet nettverk, en krystall. Et lite blått atom er omgitt av tre store røde atomer, og disse byggesteinene er satt sammen i et perfekt, repeterende mønster. Høyre del av figuren viser oppbygningen av et glass. Byggesteinene danner ikke et repeterende mønster, og uordnen er klart synlig. De to nettverkene illustrerer dermed forskjellen på perfekt ordnet SiO2 som i bergkrystaller, og SiO2 som i glass. Den høyre del av figuren viser også opphavet til indre spenninger i glasset. Noen av avstandene mellom de røde og blå atomene er her for korte, andre er for lange. Begge deler er ufordelaktig og bidrar til at energien til systemet øker. Det er denne typen indre spenninger man reduserer ved å temperaturbehandle glasset etter at det er produsert. Hva skjer så når vi setter K2CO3 eller Na2CO3 til et rent SiO2-glass? Na+ eller K+ ionene bryter opp den tredimensjonale strukturen. Noen av tetraederne deler ikke lengre hjørner. Dette er vist i figuren til venstre. Noen oksygenatomer er ikke lengre brobyggere og mindre energi er dermed nødvendig for å danne en smelte – smeltepunktet avtar. En slik atomistisk forståelse av den mikroskopiske strukturen til glasset er viktig fordi vi nå har muligheten til å forstå. Vi kan benytte denne økte forståelsen for eksempel til å endre de mekaniske egenskapene til glasset. Herding er et resultat av induserte <br>spenninger. Lokale spenningsforskjeller kan likeledes oppnås ved at man bytter ut for eksempel noen av de store Na+ ionene i figuren til venstre med små Li+ ioner. Dette kalles ionebytting. Slike prosesser er dyre, men brukes likevel under spesielle forhold hvor glassets egenskaper er helt avgjørende, for eksempel for vinduer i jagerfly og store passasjerfly. Men glass kan også modifiseres på andre måter.<br>
 
Vi skal her konsentrere oss om vanlige glass og da er det <br>naturlig å ta utgangspunkt i den viktigste bestanddelen, SiO2. Dette stoffet er bygd opp av en grunnleggende byggestein, et silisium atom omgitt av fire oksygenatomer. Disse fire oksygenatomene ønsker å være så langt fra hverandre som mulig, og det dannes derfor en tetraedrisk byggestein med et oksygenatom i hvert hjørne (se figuren til venstre). Hvert silisiumatom har fire naboatomer. I mange forbindelser så vil et kation, som silisium, være <br>omgitt av flere naboatomer. Dette er ikke fordelaktig dersom man ønsker å danne et glass. En av Zachariasens regler sier at metallet må ha få naboatomer. I tillegg må naboatomene, i dette tilfelle oksygen, være bundet til ikke mer enn to andre atomer. De to siste reglene sier at byggesteinene skal dele hjørner. En SiO4¬byggestein skal ha kontakt med en annen SiO4-byggestein kun via et hjørne som vist i figuren over, og totalt skal det ut fra dette dannes tredimensjonale nettverk. Reglene står seg meget godt også i dag og rasjonaliserer at glass ofte er basert på SiO2, GeO2, B2O3, eller P2O5. <br> Forskjellen på et krystallinsk materiale og et glass kan forstås fra måten byggesteinene settes sammen til tredimensjonale nettverk. Figurene til venstre illustrer dette, men forenklet til to dimensjoner. Venstre del av figuren viser et helt ordnet nettverk, en krystall. Et lite blått atom er omgitt av tre store røde atomer, og disse byggesteinene er satt sammen i et perfekt, repeterende mønster. Høyre del av figuren viser oppbygningen av et glass. Byggesteinene danner ikke et repeterende mønster, og uordnen er klart synlig. De to nettverkene illustrerer dermed forskjellen på perfekt ordnet SiO2 som i bergkrystaller, og SiO2 som i glass. Den høyre del av figuren viser også opphavet til indre spenninger i glasset. Noen av avstandene mellom de røde og blå atomene er her for korte, andre er for lange. Begge deler er ufordelaktig og bidrar til at energien til systemet øker. Det er denne typen indre spenninger man reduserer ved å temperaturbehandle glasset etter at det er produsert. Hva skjer så når vi setter K2CO3 eller Na2CO3 til et rent SiO2-glass? Na+ eller K+ ionene bryter opp den tredimensjonale strukturen. Noen av tetraederne deler ikke lengre hjørner. Dette er vist i figuren til venstre. Noen oksygenatomer er ikke lengre brobyggere og mindre energi er dermed nødvendig for å danne en smelte – smeltepunktet avtar. En slik atomistisk forståelse av den mikroskopiske strukturen til glasset er viktig fordi vi nå har muligheten til å forstå. Vi kan benytte denne økte forståelsen for eksempel til å endre de mekaniske egenskapene til glasset. Herding er et resultat av induserte <br>spenninger. Lokale spenningsforskjeller kan likeledes oppnås ved at man bytter ut for eksempel noen av de store Na+ ionene i figuren til venstre med små Li+ ioner. Dette kalles ionebytting. Slike prosesser er dyre, men brukes likevel under spesielle forhold hvor glassets egenskaper er helt avgjørende, for eksempel for vinduer i jagerfly og store passasjerfly. Men glass kan også modifiseres på andre måter.<br>
  
== <br>Overflatebehandling av glass<br> ==
+
== <br>Overflatebehandling av glass<br> ==
  
har økende betydning. Vi kan slik produsere glass med helt nye anvendelser som for eksempel gjør at vinduspusserne går en usikker fremtid i møte. Selvrensende glass er nemlig kommersielt tilgjengelig idag. Glasset er belagt med en 50 nm (eller 50.10-9 m) tynn film av TiO2-modifikasjonen med mineralnavnet rutil. Dette belegget har to funksjoner. TiO2 er en halvleder som absorberer energi fra lyset. Elektroner eksiteres dermed til høyere energi og disse elektronene vil i neste omgang bidra til at oksygenmolekyler (O2) i luften oksideres til ozon (O3). Dette ozonet er med på å gjøre glasset selvrensende. Ozonet vil nemlig oksidere organisk smuss på overflaten av glasset. Denne fotokatalytiske prosessen gjør at smusset sitter løsere. Rutilbeleggets andre viktige funksjon er at det fører til at vannet spres ut over vinduet. Alle stoff har en overflate med en spesiell overflateenergi eller overflatespenning, og forholdet mellom overflatespenningen til vann, luft og glass (med eller uten belegg) bestemmer hvordan vannet spres på overflaten. På vanlig glass dannes dråper som vist øverst i figuren til venstre. Glass med et tynt rutilbelegg gir en større grad <br>av fukting, som illustrert i den nedre delen av figuren. <br>Vannet danner dermed ikke dråper, men en tynn <br>vannhinne som drar med seg smuss og gir bedre sikt. <br>Nå skal det sies at dette nok ikke fritar oss fullstendig <br>fra vinduspussing, men behovet reduseres i alle fall betraktelig. <br> Mer komplekse belegg benyttes til andre formål og her er lavemisjonsglass et eksempel. Disse glassene stenger varmen ute på solrike sommerdager og holder varmen inne på kalde vinternetter. Dette oppnår man ved å benytte flere lag av tynne filmer. Et eksempel på et komplekst belegg er SnO2/Ni-Cr/Ag/Ni-Cr/SnO2. Denne smørbrødstrukturen benyttes til å slippe synlig lys inn gjennom vinduet, mens lys i infrarødt og fjernt infrarødt område stenges ute. Den varme delen av solstrålingen slipper dermed ikke inn. På kveldstid er effekten motsatt. Rommets varme reflekteres tilbake i rommet, og vinduene reduserer dermed fyringsbehovet.<br> Et tredje eksempel er brilleglass som blir mørke i sollys. I slike glass benyttes sølvkloridpartikler dispergert/fordelt i selve glasset. Når solstråler treffer disse partiklene vil fotoner fra sollyset redusere sølvioner (Ag+) og danne små partikler av elementært sølv (Ag). Brilleglasset blir derfor mørkt. Når solen forsvinner, får vi den motsatte reaksjonen og det dannes igjen Ag+-ioner. Den mørke fargen forbundet med partikler av sølv forsvinner, og glasset blir klart. <br> Fra vår gjennomgang er det klart at man kan endre glassets egenskaper ved å la det gå gjennom et kontrollert temperaturbehandlingsprogram. Likeledes kan man endre egenskapene radikalt ved overflatebehandling eller ved å tilsette partikler som blir fordelt i glasset. Men den viktigste metoden for å endre glassets egenskaper, har vi enda ikke kommet inn på. Vi kan nemlig også endre sammensetningen til glasset ved å tilsette andre kjemikalier eller komponenter. Disse løses i glasset. Men først et eksempel til på partikler som fordeles i glasset. <br>ARKEOLOGISK NANOTEKNOLOGI kan det neppe kalles, men det er et faktum at bruken av materialer med bestanddeler av nanometer størrelse ikke er ny. Et eksempel er den Romerske Lycurgus-koppen fra det fjerde århundre. Mens den er grønn i reflekterende lys, er den rød i gjennomfallende lys.1 Denne effekten har opphav i bittesmå sølv-gull partikler, av størrelsesorden 70 nm, dispergert i glasset. De små partiklene sprer lyset og denne lysspredningen gir glasset farge. Vel var romerriket et avansert samfunn, men de mestret ikke nanoteknologien i moderne forstand. Nanoteknologi impliserer at vi forstår egenskaper og kan kontrollere materialer ved å påvirke det på nanometernivå. Men eksemplet viser en metode for å produsere farget glass. Dog ikke den vanligste. Det er mer vanlig å tilsette forskjellige innskuddsmetaller. <br> Vi vet fra den grunnleggende kjemiundervisningen at forskjellige vandige løsninger av innskuddsmetaller har forskjellig farge og at fargen også avhenger av hva slags løsning vi jobber med. Omgivelsen til et innskuddsmetallatom er forskjellig i en ren vandig løsning og i en løsning hvor konsentrasjonen av for eksempel Cl- ioner, CN- ioner eller NH3 er høy. Dette påvirker fargen vi observerer. Tilsvarende argumenter kan benyttes når vi ser på farget glass. Viktige faktorer er hvilket innskuddsmetall som benyttes, oksidasjonstilstanden til disse ionene i glasset, hvor i glasstrukturen vi finner ionene og selvsagt ”hvor mange” ioner som er tilsatt. Den dypblå fargen vi kjenner fra Blaafarveværket kommer fra kobolt, mens uran historisk sett ofte har blitt brukt til å lage gult glass. Jern og mangan er typiske forurensninger i mye sand og ved oppstarten av Hadeland glassverk ble sand fra strendene rundt Randsfjorden benyttet. Treverdig jern (Fe3+) gir brun farge. Ionene er små og erstatter Si i glassstrukturen. Toverdig jern (Fe2+) er mye større og plasserer seg dermed inni strukturen på samme måte som Na+-ionene diskutert over. Dette påvirker fargen, og toverdig jern gir typisk grønt glass. Hadeland glassverk produserte dermed lenge for det meste farget brunt og grønt glass som ble brukt i flasker og apotekerglass. Import av sand var nødvendig for å produsere klart glass. <br>GLASS HAR PERSONLIGHET. Tiltross for at glass kan være et høyteknologisk materiale vil det også i framtiden først og fremst forbindes med vår hverdag. Teknologiske fremskritt reduserer ikke estetikken i vakre glassfat eller i vårt nye monumentale universitetsbibliotek. Glass har en egenart, og det finnes for eksempel et uendelig antall design av vinglass. Glass vil aldri gå av <br>1 http://www.thebritishmuseum.ac.uk/science/lycurguscup/sr-lycugus-p1.html <br> <br>moten! Håndlaget glass har dessuten en unik personlighet. Ikke to glass er like. Et resultat av <br>forfatterens forberedelser til dette foredraget står i kjøkkenskapet (og er vist på figuren over). <br>Glassenes utforming reflekterer i stor grad glasskunstnernes alder (5, 7 og 10 år) og har helt <br>klart hver sin personlighet! <br>Takk til Hadeland glassverk som har tillatt meg å benytte to bilder fra deres internettsider i figuren på side 3. <br>Literatur <br>Generelt om glass <br>• J. E. Shelby, Introduction to glass science and technology, Royal Soc. Chem., 2005. <br>• W.S. Ellis, Glass, Avon Books 1998. Glass fra en svunnen tid <br>• M. Pollard and C. Heron, Archaeological chemistry, Royal Soc. of Chem., 1996. <br>• Freestone, Looking into Glass, in: Science and the Past, British Museum Press. 1991. <br>• D. J. Barber, and I.C. Freestone, An investigation of the origin of the colour of the  
+
har økende betydning. Vi kan slik produsere glass med helt nye anvendelser som for eksempel gjør at vinduspusserne går en usikker fremtid i møte. Selvrensende glass er nemlig kommersielt tilgjengelig idag. Glasset er belagt med en 50 nm (eller 50.10-9 m) tynn film av TiO2-modifikasjonen med mineralnavnet rutil. Dette belegget har to funksjoner. TiO2 er en halvleder som absorberer energi fra lyset. Elektroner eksiteres dermed til høyere energi og disse elektronene vil i neste omgang bidra til at oksygenmolekyler (O2) i luften oksideres til ozon (O3). Dette ozonet er med på å gjøre glasset selvrensende. Ozonet vil nemlig oksidere organisk smuss på overflaten av glasset. Denne fotokatalytiske prosessen gjør at smusset sitter løsere. Rutilbeleggets andre viktige funksjon er at det fører til at vannet spres ut over vinduet. Alle stoff har en overflate med en spesiell overflateenergi eller overflatespenning, og forholdet mellom overflatespenningen til vann, luft og glass (med eller uten belegg) bestemmer hvordan vannet spres på overflaten. På vanlig glass dannes dråper som vist øverst i figuren til venstre. Glass med et tynt rutilbelegg gir en større grad av fukting, som illustrert i den nedre delen av figuren. <br>Vannet danner dermed ikke dråper, men en tynn vannhinne som drar med seg smuss og gir bedre sikt. Nå skal det sies at dette nok ikke fritar oss fullstendig fra vinduspussing, men behovet reduseres i alle fall betraktelig. <br> Mer komplekse belegg benyttes til andre formål og her er lavemisjonsglass et eksempel. Disse glassene stenger varmen ute på solrike sommerdager og holder varmen inne på kalde vinternetter. Dette oppnår man ved å benytte flere lag av tynne filmer. Et eksempel på et komplekst belegg er SnO2/Ni-Cr/Ag/Ni-Cr/SnO2. Denne smørbrødstrukturen benyttes til å slippe synlig lys inn gjennom vinduet, mens lys i infrarødt og fjernt infrarødt område stenges ute. Den varme delen av solstrålingen slipper dermed ikke inn. På kveldstid er effekten motsatt. Rommets varme reflekteres tilbake i rommet, og vinduene reduserer dermed fyringsbehovet.<br> Et tredje eksempel er brilleglass som blir mørke i sollys. I slike glass benyttes sølvkloridpartikler dispergert/fordelt i selve glasset. Når solstråler treffer disse partiklene vil fotoner fra sollyset redusere sølvioner (Ag+) og danne små partikler av elementært sølv (Ag). Brilleglasset blir derfor mørkt. Når solen forsvinner, får vi den motsatte reaksjonen og det dannes igjen Ag+-ioner. Den mørke fargen forbundet med partikler av sølv forsvinner, og glasset blir klart. <br> Fra vår gjennomgang er det klart at man kan endre glassets egenskaper ved å la det gå gjennom et kontrollert temperaturbehandlingsprogram. Likeledes kan man endre egenskapene radikalt ved overflatebehandling eller ved å tilsette partikler som blir fordelt i glasset. Men den viktigste metoden for å endre glassets egenskaper, har vi enda ikke kommet inn på. Vi kan nemlig også endre sammensetningen til glasset ved å tilsette andre kjemikalier eller komponenter. Disse løses i glasset. Men først et eksempel til på partikler som fordeles i glasset. <br>
 +
 
 +
== <br>Arkeologisk nanoteknologi<br> ==
 +
 
 +
== <br> ==
 +
 
 +
kan det neppe kalles, men det er et faktum at bruken av materialer med bestanddeler av nanometer størrelse ikke er ny. Et eksempel er den Romerske Lycurgus-koppen fra det fjerde århundre. Mens den er grønn i reflekterende lys, er den rød i gjennomfallende lys.1 Denne effekten har opphav i bittesmå sølv-gull partikler, av størrelsesorden 70 nm, dispergert i glasset. De små partiklene sprer lyset og denne lysspredningen gir glasset farge. Vel var romerriket et avansert samfunn, men de mestret ikke nanoteknologien i moderne forstand. Nanoteknologi impliserer at vi forstår egenskaper og kan kontrollere materialer ved å påvirke det på nanometernivå. Men eksemplet viser en metode for å produsere farget glass. Dog ikke den vanligste. Det er mer vanlig å tilsette forskjellige innskuddsmetaller. <br> Vi vet fra den grunnleggende kjemiundervisningen at forskjellige vandige løsninger av innskuddsmetaller har forskjellig farge og at fargen også avhenger av hva slags løsning vi jobber med. Omgivelsen til et innskuddsmetallatom er forskjellig i en ren vandig løsning og i en løsning hvor konsentrasjonen av for eksempel Cl- ioner, CN- ioner eller NH3 er høy. Dette påvirker fargen vi observerer. Tilsvarende argumenter kan benyttes når vi ser på farget glass. Viktige faktorer er hvilket innskuddsmetall som benyttes, oksidasjonstilstanden til disse ionene i glasset, hvor i glasstrukturen vi finner ionene og selvsagt ”hvor mange” ioner som er tilsatt. Den dypblå fargen vi kjenner fra Blaafarveværket kommer fra kobolt, mens uran historisk sett ofte har blitt brukt til å lage gult glass. Jern og mangan er typiske forurensninger i mye sand og ved oppstarten av Hadeland glassverk ble sand fra strendene rundt Randsfjorden benyttet. Treverdig jern (Fe3+) gir brun farge. Ionene er små og erstatter Si i glassstrukturen. Toverdig jern (Fe2+) er mye større og plasserer seg dermed inni strukturen på samme måte som Na+-ionene diskutert over. Dette påvirker fargen, og toverdig jern gir typisk grønt glass. Hadeland glassverk produserte dermed lenge for det meste farget brunt og grønt glass som ble brukt i flasker og apotekerglass. Import av sand var nødvendig for å produsere klart glass. <br>GLASS HAR PERSONLIGHET. Tiltross for at glass kan være et høyteknologisk materiale vil det også i framtiden først og fremst forbindes med vår hverdag. Teknologiske fremskritt reduserer ikke estetikken i vakre glassfat eller i vårt nye monumentale universitetsbibliotek. Glass har en egenart, og det finnes for eksempel et uendelig antall design av vinglass. Glass vil aldri gå av <br>1 http://www.thebritishmuseum.ac.uk/science/lycurguscup/sr-lycugus-p1.html <br> <br>moten! Håndlaget glass har dessuten en unik personlighet. Ikke to glass er like. Et resultat av <br>forfatterens forberedelser til dette foredraget står i kjøkkenskapet (og er vist på figuren over). <br>Glassenes utforming reflekterer i stor grad glasskunstnernes alder (5, 7 og 10 år) og har helt <br>klart hver sin personlighet! <br>Takk til Hadeland glassverk som har tillatt meg å benytte to bilder fra deres internettsider i figuren på side 3. <br>Literatur <br>Generelt om glass <br>• J. E. Shelby, Introduction to glass science and technology, Royal Soc. Chem., 2005. <br>• W.S. Ellis, Glass, Avon Books 1998. Glass fra en svunnen tid <br>• M. Pollard and C. Heron, Archaeological chemistry, Royal Soc. of Chem., 1996. <br>• Freestone, Looking into Glass, in: Science and the Past, British Museum Press. 1991. <br>• D. J. Barber, and I.C. Freestone, An investigation of the origin of the colour of the  
  
 
Lycurgus Cup by analytical TEM, Archaeometry, 1990, 32, 33. Av og om William H. Zachariasen <br>• W.H. Zachariasen, The atomic arrangement in glass, J. Amer. Chem. Soc. 1932, 54, 384. <br>• R. Pepinsky, Fredrik W. H. Zachariasen 1906-1979, Acta Cryst. 1980, A36, 739. Lagring av radioaktivt avfall <br>• P. Ball, To the heart of glass, Nature, 2003, 421, 783. <br>• C. Macilwain, Out of sight, out of mind, Nature 2001, 412, 850. Overflatebehandling av glass  
 
Lycurgus Cup by analytical TEM, Archaeometry, 1990, 32, 33. Av og om William H. Zachariasen <br>• W.H. Zachariasen, The atomic arrangement in glass, J. Amer. Chem. Soc. 1932, 54, 384. <br>• R. Pepinsky, Fredrik W. H. Zachariasen 1906-1979, Acta Cryst. 1980, A36, 739. Lagring av radioaktivt avfall <br>• P. Ball, To the heart of glass, Nature, 2003, 421, 783. <br>• C. Macilwain, Out of sight, out of mind, Nature 2001, 412, 850. Overflatebehandling av glass  
  
 
• H.K. Pulker, Coatings on glass, Elsevier, 1999. <br><br>
 
• H.K. Pulker, Coatings on glass, Elsevier, 1999. <br><br>

Revisjonen fra 20. okt. 2009 kl. 13:16

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.

Universitetsbilblioteket.jpg

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, SiO2. 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.

Glass-illustrasjon.jpg
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.

Glass-dråpe.jpg

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.

Glass er som mennesker - de eldes

Glass er ikke i intern likevekt og har en iboende drivkraft for endring. De resulterende aldringsprosessene går imidlertid ikke nødvendigvis fort. Obsidian er et naturlig forekommende svart, skinnende glass dannet i vulkaners hete for millioner av år siden. Glass er det fortsatt! Likevel er elding av glass av og til et problem. Hvite ringer eller skygger i krystallglass skyldes segregeringseffekter. Selv om glasset i utgangspunktet er homogent kan en av komponentene (typisk alkali eller jordalkalioksider) finne det energetisk fordelaktig og kinetisk mulig å diffundere til overflaten over tid. Dette kalles glasspest.
Ofte hører man at ujevnheter i gamle glass også skyldes glassets alder. Det sies at glasset flyter og at vinduene derfor blir tykkere nede. Men dette er nok en vrangforestilling. Den innfrosne væsken, som kalles glass, har et mye sterkere slektskap med faste stoffer enn med væsker. Ting tar tid i et glass! En slik aldringseffekt ville dessuten ha hatt store effekter på vinduer i gamle kirker. Det observeres ikke. Hva er så årsaken til ujevnhetene i gamle glass? Vindusglass ble lenge produsert manuelt og gravitasjonskraften var et viktig hjelpemiddel. Kort sagt ble glasset produsert ved en temperatur hvor glassmassen kunne flyte ut og danne en stor sirkelformet glasskive når glassblåseren roterte blåserøret. Det resulterende vindusglasset hadde naturlig nok ikke en helt homogen tykkelse. Håndverksmessig var det i tillegg en kultur for å montere glasset slik at den tykkeste delen av glasset vendte ned. Det finnes imidlertid også funn av enkeltvinduer med glass som er tykkere øverst! De sirkelformede ujevnhetene vi kan se i gamle vinduer (som i bildet til venstre) har også opphav i denne gamle produksjonsmåten. Ingenting gikk til spille, og man benyttet også glasset nærmest blåserøret.
Aldringsprosesser i glass er ikke noe stort problem i dagliglivet, men er sentralt når glass er tenkt brukt i lagring av radioaktivt avfall. Man benytter her glassets mangel på atomær/molekylær orden. Denne uordnen gjør at det meste kan løses i en glassmatrise. Det radioaktive avfallet blir en del av glasset som så innkapsles i flere lag beskyttende materialer. Usikkerheten rundt denne måten å lagre radioaktivt avfall på relaterer seg til tiden det tar før avfallet blir ufarlig. Halveringstiden for noen problemavfall er av størrelsesorden hundretusener av år. Hva skjer med disse kapslene begravd langt under jordens overflate i grunnfjell i løpet av de nærmeste tusener av år? I hvilken grad vil korrosjon føre til kontakt med grunnvann, og hvor fort vil vannet løse radioaktive komponenter og bringe disse ut i omgivelsene? Eksemplet viset at en grunnleggende forståelse av glassets struktur og kjemi er meget viktig.


William H. Zachariassen

, født i Langesund i 1906, ble mannen som skulle åpne for en grunnleggende forståelse av glass og av glassets kjemi. Zachariassen ble student ved Universitetet i Oslo allerede som 17 åring. Under veiledning av den store geokjemikeren Victor Goldschmidt disputerte Zachariassen allerede som 22 åring. I etterkant fikk han fast ansettelse ved Universitetet i Oslo, men ble etter kort tid fristet av et jobbtilbud fra Universitetet i Chicago, hvor han jobbet til han ble pensjonert. Zachariansens hjerte lå i krystallografien, og han publiserte allerede i 1932 det epokegjørende arbeidet The atomic arrangement in glass. Første setning i arbeidet er ofte sitert “It must frankly be admitted that we know practically nothing about the atomic arrangement in glasses”. Arbeidet munnet ut i fire regler som forklarer hvorfor noen oksider danner glass, mens andre ikke gjør det. Zachariassen ble medlem av Det Norske Videnskaps-akademi i 1938.

Hvordan er så glass bygd opp?

Vi skal her konsentrere oss om vanlige glass og da er det
naturlig å ta utgangspunkt i den viktigste bestanddelen, SiO2. Dette stoffet er bygd opp av en grunnleggende byggestein, et silisium atom omgitt av fire oksygenatomer. Disse fire oksygenatomene ønsker å være så langt fra hverandre som mulig, og det dannes derfor en tetraedrisk byggestein med et oksygenatom i hvert hjørne (se figuren til venstre). Hvert silisiumatom har fire naboatomer. I mange forbindelser så vil et kation, som silisium, være
omgitt av flere naboatomer. Dette er ikke fordelaktig dersom man ønsker å danne et glass. En av Zachariasens regler sier at metallet må ha få naboatomer. I tillegg må naboatomene, i dette tilfelle oksygen, være bundet til ikke mer enn to andre atomer. De to siste reglene sier at byggesteinene skal dele hjørner. En SiO4¬byggestein skal ha kontakt med en annen SiO4-byggestein kun via et hjørne som vist i figuren over, og totalt skal det ut fra dette dannes tredimensjonale nettverk. Reglene står seg meget godt også i dag og rasjonaliserer at glass ofte er basert på SiO2, GeO2, B2O3, eller P2O5.
Forskjellen på et krystallinsk materiale og et glass kan forstås fra måten byggesteinene settes sammen til tredimensjonale nettverk. Figurene til venstre illustrer dette, men forenklet til to dimensjoner. Venstre del av figuren viser et helt ordnet nettverk, en krystall. Et lite blått atom er omgitt av tre store røde atomer, og disse byggesteinene er satt sammen i et perfekt, repeterende mønster. Høyre del av figuren viser oppbygningen av et glass. Byggesteinene danner ikke et repeterende mønster, og uordnen er klart synlig. De to nettverkene illustrerer dermed forskjellen på perfekt ordnet SiO2 som i bergkrystaller, og SiO2 som i glass. Den høyre del av figuren viser også opphavet til indre spenninger i glasset. Noen av avstandene mellom de røde og blå atomene er her for korte, andre er for lange. Begge deler er ufordelaktig og bidrar til at energien til systemet øker. Det er denne typen indre spenninger man reduserer ved å temperaturbehandle glasset etter at det er produsert. Hva skjer så når vi setter K2CO3 eller Na2CO3 til et rent SiO2-glass? Na+ eller K+ ionene bryter opp den tredimensjonale strukturen. Noen av tetraederne deler ikke lengre hjørner. Dette er vist i figuren til venstre. Noen oksygenatomer er ikke lengre brobyggere og mindre energi er dermed nødvendig for å danne en smelte – smeltepunktet avtar. En slik atomistisk forståelse av den mikroskopiske strukturen til glasset er viktig fordi vi nå har muligheten til å forstå. Vi kan benytte denne økte forståelsen for eksempel til å endre de mekaniske egenskapene til glasset. Herding er et resultat av induserte
spenninger. Lokale spenningsforskjeller kan likeledes oppnås ved at man bytter ut for eksempel noen av de store Na+ ionene i figuren til venstre med små Li+ ioner. Dette kalles ionebytting. Slike prosesser er dyre, men brukes likevel under spesielle forhold hvor glassets egenskaper er helt avgjørende, for eksempel for vinduer i jagerfly og store passasjerfly. Men glass kan også modifiseres på andre måter.


Overflatebehandling av glass

har økende betydning. Vi kan slik produsere glass med helt nye anvendelser som for eksempel gjør at vinduspusserne går en usikker fremtid i møte. Selvrensende glass er nemlig kommersielt tilgjengelig idag. Glasset er belagt med en 50 nm (eller 50.10-9 m) tynn film av TiO2-modifikasjonen med mineralnavnet rutil. Dette belegget har to funksjoner. TiO2 er en halvleder som absorberer energi fra lyset. Elektroner eksiteres dermed til høyere energi og disse elektronene vil i neste omgang bidra til at oksygenmolekyler (O2) i luften oksideres til ozon (O3). Dette ozonet er med på å gjøre glasset selvrensende. Ozonet vil nemlig oksidere organisk smuss på overflaten av glasset. Denne fotokatalytiske prosessen gjør at smusset sitter løsere. Rutilbeleggets andre viktige funksjon er at det fører til at vannet spres ut over vinduet. Alle stoff har en overflate med en spesiell overflateenergi eller overflatespenning, og forholdet mellom overflatespenningen til vann, luft og glass (med eller uten belegg) bestemmer hvordan vannet spres på overflaten. På vanlig glass dannes dråper som vist øverst i figuren til venstre. Glass med et tynt rutilbelegg gir en større grad av fukting, som illustrert i den nedre delen av figuren.
Vannet danner dermed ikke dråper, men en tynn vannhinne som drar med seg smuss og gir bedre sikt. Nå skal det sies at dette nok ikke fritar oss fullstendig fra vinduspussing, men behovet reduseres i alle fall betraktelig.
Mer komplekse belegg benyttes til andre formål og her er lavemisjonsglass et eksempel. Disse glassene stenger varmen ute på solrike sommerdager og holder varmen inne på kalde vinternetter. Dette oppnår man ved å benytte flere lag av tynne filmer. Et eksempel på et komplekst belegg er SnO2/Ni-Cr/Ag/Ni-Cr/SnO2. Denne smørbrødstrukturen benyttes til å slippe synlig lys inn gjennom vinduet, mens lys i infrarødt og fjernt infrarødt område stenges ute. Den varme delen av solstrålingen slipper dermed ikke inn. På kveldstid er effekten motsatt. Rommets varme reflekteres tilbake i rommet, og vinduene reduserer dermed fyringsbehovet.
Et tredje eksempel er brilleglass som blir mørke i sollys. I slike glass benyttes sølvkloridpartikler dispergert/fordelt i selve glasset. Når solstråler treffer disse partiklene vil fotoner fra sollyset redusere sølvioner (Ag+) og danne små partikler av elementært sølv (Ag). Brilleglasset blir derfor mørkt. Når solen forsvinner, får vi den motsatte reaksjonen og det dannes igjen Ag+-ioner. Den mørke fargen forbundet med partikler av sølv forsvinner, og glasset blir klart.
Fra vår gjennomgang er det klart at man kan endre glassets egenskaper ved å la det gå gjennom et kontrollert temperaturbehandlingsprogram. Likeledes kan man endre egenskapene radikalt ved overflatebehandling eller ved å tilsette partikler som blir fordelt i glasset. Men den viktigste metoden for å endre glassets egenskaper, har vi enda ikke kommet inn på. Vi kan nemlig også endre sammensetningen til glasset ved å tilsette andre kjemikalier eller komponenter. Disse løses i glasset. Men først et eksempel til på partikler som fordeles i glasset.


Arkeologisk nanoteknologi


kan det neppe kalles, men det er et faktum at bruken av materialer med bestanddeler av nanometer størrelse ikke er ny. Et eksempel er den Romerske Lycurgus-koppen fra det fjerde århundre. Mens den er grønn i reflekterende lys, er den rød i gjennomfallende lys.1 Denne effekten har opphav i bittesmå sølv-gull partikler, av størrelsesorden 70 nm, dispergert i glasset. De små partiklene sprer lyset og denne lysspredningen gir glasset farge. Vel var romerriket et avansert samfunn, men de mestret ikke nanoteknologien i moderne forstand. Nanoteknologi impliserer at vi forstår egenskaper og kan kontrollere materialer ved å påvirke det på nanometernivå. Men eksemplet viser en metode for å produsere farget glass. Dog ikke den vanligste. Det er mer vanlig å tilsette forskjellige innskuddsmetaller.
Vi vet fra den grunnleggende kjemiundervisningen at forskjellige vandige løsninger av innskuddsmetaller har forskjellig farge og at fargen også avhenger av hva slags løsning vi jobber med. Omgivelsen til et innskuddsmetallatom er forskjellig i en ren vandig løsning og i en løsning hvor konsentrasjonen av for eksempel Cl- ioner, CN- ioner eller NH3 er høy. Dette påvirker fargen vi observerer. Tilsvarende argumenter kan benyttes når vi ser på farget glass. Viktige faktorer er hvilket innskuddsmetall som benyttes, oksidasjonstilstanden til disse ionene i glasset, hvor i glasstrukturen vi finner ionene og selvsagt ”hvor mange” ioner som er tilsatt. Den dypblå fargen vi kjenner fra Blaafarveværket kommer fra kobolt, mens uran historisk sett ofte har blitt brukt til å lage gult glass. Jern og mangan er typiske forurensninger i mye sand og ved oppstarten av Hadeland glassverk ble sand fra strendene rundt Randsfjorden benyttet. Treverdig jern (Fe3+) gir brun farge. Ionene er små og erstatter Si i glassstrukturen. Toverdig jern (Fe2+) er mye større og plasserer seg dermed inni strukturen på samme måte som Na+-ionene diskutert over. Dette påvirker fargen, og toverdig jern gir typisk grønt glass. Hadeland glassverk produserte dermed lenge for det meste farget brunt og grønt glass som ble brukt i flasker og apotekerglass. Import av sand var nødvendig for å produsere klart glass.
GLASS HAR PERSONLIGHET. Tiltross for at glass kan være et høyteknologisk materiale vil det også i framtiden først og fremst forbindes med vår hverdag. Teknologiske fremskritt reduserer ikke estetikken i vakre glassfat eller i vårt nye monumentale universitetsbibliotek. Glass har en egenart, og det finnes for eksempel et uendelig antall design av vinglass. Glass vil aldri gå av
1 http://www.thebritishmuseum.ac.uk/science/lycurguscup/sr-lycugus-p1.html

moten! Håndlaget glass har dessuten en unik personlighet. Ikke to glass er like. Et resultat av
forfatterens forberedelser til dette foredraget står i kjøkkenskapet (og er vist på figuren over).
Glassenes utforming reflekterer i stor grad glasskunstnernes alder (5, 7 og 10 år) og har helt
klart hver sin personlighet!
Takk til Hadeland glassverk som har tillatt meg å benytte to bilder fra deres internettsider i figuren på side 3.
Literatur
Generelt om glass
• J. E. Shelby, Introduction to glass science and technology, Royal Soc. Chem., 2005.
• W.S. Ellis, Glass, Avon Books 1998. Glass fra en svunnen tid
• M. Pollard and C. Heron, Archaeological chemistry, Royal Soc. of Chem., 1996.
• Freestone, Looking into Glass, in: Science and the Past, British Museum Press. 1991.
• D. J. Barber, and I.C. Freestone, An investigation of the origin of the colour of the

Lycurgus Cup by analytical TEM, Archaeometry, 1990, 32, 33. Av og om William H. Zachariasen
• W.H. Zachariasen, The atomic arrangement in glass, J. Amer. Chem. Soc. 1932, 54, 384.
• R. Pepinsky, Fredrik W. H. Zachariasen 1906-1979, Acta Cryst. 1980, A36, 739. Lagring av radioaktivt avfall
• P. Ball, To the heart of glass, Nature, 2003, 421, 783.
• C. Macilwain, Out of sight, out of mind, Nature 2001, 412, 850. Overflatebehandling av glass

• H.K. Pulker, Coatings on glass, Elsevier, 1999.