Смыслы: Научные искания
Нет взрослого человека на нашей планете, который бы не знал о стекле, ведь с этим материалом все люди конечно много раз сталкивались в своей жизни, но, наверное, знания большинства людей о нем очень приблизительны. А ведь стекло это один из важнейших и древнейших искусственных материалов, созданных человеком. Согласно археологическим данным этот материал уже был использован человеком за 3 тысячи лет но н.э. То есть стекло служит человечеству около 5 тысяч лет.
Много ли искусственных материалов имеют такую историю? Ну конечно, это керамические изделия из обожженной глины, а из металлов это медь, олово и их сплав - бронза (железо тогда еще не умели выплавлять). Трудно вспомнить какой-то еще равный им по моменту возникновения искусственный материал. А стекло этоодин из таких долгослужащих материалов.
Историю создания стекла рассказывает легенда, изложенная римским ученым Плинием Старшим в «Естественной истории». «Однажды, в очень далекие времена, финикийские купцы везли по Средиземному морю груз соли, добытой в Африке. На ночлег они высадились на песчаном берегу и стали готовить себе пищу. За неимением под рукой камней обложили костер большими кусками соли. Поутру, разгребая золу, купцы обнаружили чудесный слиток, который был тверд как камень, горел огнем на солнце и был чист и прозрачен как вода. Это было стекло».
Считается, что первыми научились получать и стали применять стекло древние египтяне. Первые образцы стекла, известные в настоящее время, представляют собой глазурь на кувшинах, обнаруженных при раскопках в древнеегипетских захоронениях. И им порядка 5 тысяч лет.
С годами, веками и тысячелетиями египтяне совершенствовали технологию получения стекла. Стекло выступает уже не просто как глазурь по керамике, появляются самостоятельные изделия, вначале в виде женских украшений – бусинок из непрозрачного стекла, а после изделия более сложной формы – емкости для благовоний.
Рис. 1. Древнеегипетское стекло: слева бусинки из стекла (возраст 5500-6000 лет), справа глазурь на фрагментах облицовки коридоров в пирамиде Джосера (III тыс. лет до н.э.)
Дальше примерно за 1,5 тысячи лет до н.э. египтяне научились делать толстостенные кубки и вазы из стекла. Из Египта стеклоделие начало распространяться по всему древнему миру и это несмотря на то, что мастерство и технологии передавались в строжайшей тайне от мастера к ученику, которым чаще всего был наследник. И, тем не менее,стеклоделие распространялось по разным странам и народам.
А в месопотамии примерно в середине 7 века до н. э. даже вышло первое пособие по стеклоделию. Оно представляет собой глиняные таблички, хранившиеся в библиотеке ассирийского царя Ашшурбанипала.
Шли годы, возникла Римская Империя, и она сделала два огромных шага в развитии стеклоделия:
Во-первых, на территории Римской Империи предположительно в Сирии была придумана стеклодувная трубка. Это многократно увеличило ассортимент изделий из стекла, выпускавшихся в те времена. Стало возможным получать сосуды с большой расширяющейся полостью. И сами эти сосуды стали значительно более тонкостенными.
Во-вторых, Римляне усовершенствовали печи для варки стекла. Это позволили повысить температуру процесса стекловарения. Вкупе с использованием более чистого сырья это дало возможность получать прозрачные изделия, что значительно повысило спрос на них.
Это на долгие годы сделало Римскую империю центром древнего стеклоделия. Самым известным творением древних стеклоделов этого периода является, бесспорно, так называемый кубок Ликурга. Предположительно он был изготовлен на территории Римской империи в Египетском городе Александрия в IV веке н.э. Ныне он хранится в Британском музее. Кубок выполнен из полупрозрачного стекла, которое способно менять цвет в зависимости от расположения источника света. При обычном освещении кубок выглядит светло-зеленым, но когда источник света находится за ним, цвет материала меняется на красный. Этот эффект хорошо известен, его обуславливает наличие в стекле коллоидных (нано) частиц металла.
Рис. 2. Кубок Ликурга: слева вид кубка при обычном освещении, справа вид кубка в проходящем свете (источник света находится за кубком)
Современные исследования показали, что в материале кубка Ликурга присутствуют коллоидные частицы благородных металлов золота и серебра размерами приблизительно 50-70 нм. Объем такой частицы примерно в 10-40 триллионов раз меньше 1 кубического миллиметра. Обычно современные авторы популярных статей недоумевают, как же это удалось раздробить очень пластичные металлы золото и серебро до таких мелких частиц, ведь это невозможно даже при современных технологиях, да еще внедрить эти частицы в массу стекла. На самом деле никакой тайны тут нет.
Для получения подобного эффекта не надо дробить золото и серебро. Стеклоделы поступают иначе. В шихту (однородную смесь порошкообразных сырьевых материалов, предназначенную для варки стекла) добавляют небольшое количество солей этих металлов. В процессе варки эти соли разлагаются, а золото и серебро в малых дозах растворяются в расплавленной стекломассе, подобно тому, как сахар или поваренная соль растворяются в воде. А вот при охлаждении готового изделия после формования растворимость металлов в стекле снижается. Золото и серебро выделяются внутри массы стекла в виде подобных коллоидных частиц.
Так что в самом факте их появления в стекле никакой тайны нет, но все не так просто. Прозрачность и цвет стекла очень сильно зависят от размеров образующихся частиц и их концентрации в этом материале, а эти параметры в свою очередь очень сильно зависят от температурно-временного режима охлаждения стекла. Даже малейшие колебания скорости охлаждения способны сделать стекло непрозрачным или наоборот слишком прозрачным, и наблюдаемого эффекта не будет. Добиться нужных параметров режима охлаждения стекла, чтобы получить цветовые эффекты, наблюдаемые у кубка Ликурга, невероятно сложно даже в современных условиях. Как же это удалось сделать древнему мастеру, не имевшему никаких приборов, позволяющих контролировать и регулировать температурно-временной процесс охлаждения кубка после его формования, совершенно непонятно. Наверное, этот неизвестный Александриец был настоящим Мастером, умельцем, имевшим богатейший опыт изготовления прекрасных изделий из стекла.
Когда же начался упадок и развал Римской Империи, как ни странно он не сильно сказался на мировом стеклоделии. Преемница Рима – Византия стала новым мировым центром стеклоделия.
В это время помимо уже упомянутого сильное развитие получила технология производства мозаики – цветных непрозрачных стекол, так необходимых молодому тогда христианству для создания панно, с изображением бога и библейских сюжетов. Самый яркий пример это мозаики, сохранившиеся в отдельных церквях на территории современной Турции, а тогда великой Византийской Империи.
В Западной Европе в конце первого тысячелетия также строится большое количество храмов. Католикам особенно приглянулись витражи. Для них требовалось прозрачное стекло широкой цветовой гаммы. Разработки технологии производства таких стекол существенно продвинули знания людей об особенностях стекла.
Рис. 3. Витраж Кенигсбергского кафедрального собора
В начале 13 века крестоносцы захватили Константинополь. «Божьи дворяне» грабили все подряд, не исключая храмы. Добыча была огромной у всех, но хитрее всех поступили Венецианцы. Помимо богатств они вывезли из Константинополя мастеров стеклоделов – непосредственных носителей технологических знаний и навыков. Угнанные стеклоделы были поселены на остров Мурано недалеко от Венеции. В результате именно там возник новый мировой центр стеклоделия. И с этого времени начинается упадок Византии и расцвет Венецианской республики – или как они себя называли «Республики Святого Марка».
Так было всегда и везде на протяжении человеческой истории – расцвет государства сопровождался расцветом стеклоделия в нем.
Мастерство стеклоделов с острова Мурано было таким, что за их изделиями гонялись все богатейшие правящие династии мира. Как и за секретами их мастерства. Именно поэтому, жителям Мурано под страхом смертной казни было запрещено покидать остров. А в случае побега карали всю семью.
Закон гласил: «Если какой-нибудь рабочий или мастер перенесет свое искусство из Венеции в другое место, ему будет послан приказ вернуться. Если он будет упорствовать в желании остаться на чужбине, за ним будет отправлен человек, которому будет поручено убить его». Доподлинно известно, что эти угрозы весьма решительно приводились в действие. На улицах европейских городов иногда находили трупы венецианских стеклоделов, бежавших из родной страны ради корыстных целей и казненных по приказанию Совета республики. Чтобы подсластить пилюлю мастера острова Мурано были причислены к привилегированному сословию.
Стекло Мурано приобретает известность во всем мире, технологические секреты Мурано становятся предметом настоящего промышленного шпионажа.
И вот Кольберу, хитроумному министру Людовика XIV, удалось переправить и спрятать во Франции нескольких мастеров, бежавших с острова. Через некоторое время в лесах Нормандии открылся завод, выпускающий зеркальное стекло. Таким образом, стеклоделие распространялось по всей Европе, и каждая страна рождала своих мастеров и свои традиции.
На Руси, как и во всех странах, развивалось стеклоделие, и также как и везде расцвет и упадок государства приводил к расцвету и упадку стеклоделия в нем. На Руси в X-XI веках в Киеве, а чуть позже в Ростове Великом появилось множество небольших стеклоделательных мастерских. Они производили стеклянные эмали и эмалевые украшения. Эта изделия отличались тонкостью и изяществом отделки и были предметами экспорта. Во времена ордынского ига стеклоделие, как и многие другие ремесла, пришло в упадок и его возрождение началось лишь в XVII в. Первый стекольный завод был построен недалеко Москвы, в Можайском уезде. При Петре Первом было построено еще несколько таких предприятий. В России появились свои удивительные мастера-стеклоделы, но первым из них по праву считается М. В. Ломоносов. Он не только великий ученый, философ, поэт, естествоиспытатель, историк, но и замечательный стеклодел. Увидев однажды в Европе мозаичный портрет, сделанный из смальты, Ломоносов решил сам создать картину из мозаичного стекла. Больше двух тысяч раз пришлось ему варить стекла - цветные и бесцветные, более пяти лет упорного труда было затрачено и результат - великолепная мозаичная многокрасочная картина «Полтавская баталия» сохранила свежесть и яркость тонов до наших дней. В 1752 году было дано «Высочайшее позволение профессору Ломоносову завесть фабрику для делания разноцветных стекол, бисеру, стеклярусу и других галантерейных вещей с привелегиею на 30 лет».
Рис. 4. Фрагмент мозаики М.В. Ломоносова «Полтавская баталия»
В восторге Ломоносов посвятил целую оду не злату, но стеклу.
Велика сердцу скорбь, лишиться чтенья книг;
Скучнее вечной тьмы, тяжелее вериг!
Одно лишь нам стекло в сей бедности отрада,
Оно, способствием искусныя руки
Подать нам зрение умеет чрез очки!
Как видите, стекло начинает примяться уже как оптический материал, необходимый многим людям.
В 1760 году строятся Мальцовские (Мальцевские) стекольные заводы, прославившие впоследствии город Гусь-Хрустальный.
Шло время. Число стекольных заводов, производящих посуду, листовое и зеркальное стекло постоянно росло во всем мире. Только в России к 1913 г работало 275, стекольных заводов с 75000 рабочих, выпускающих продукции на 65 млн. руб. в год.
Механизация производств, начавшаяся с середины XIX в. и технологический взрыв XX в. перевели процесс производства стекла из маленьких стекольных мастерских, существовавших веками, в мощные цеха, производительностью в сотни тонн стекла в сутки.
XX век в стеклоделии начался как век листового стекла. На протяжении долгих лет вплоть до середины XIX столетия, листовое стекло относительно высокого качества, пригодное для остекления оконных проемов, можно было получать лишь ручным способом, называемым халявным (холявным). Согласно этому методу мастер стеклодел выдувал огромный сосуд цилиндрической формы. Длина выдутого цилиндра могла достигать 2,5 м, а диаметр - 0,6-0,8 м. Далее следовали тоже весьма непростые операции по отрезке дна, разрезанию цилиндра по образующей, распрямлению его в плоский лист стекла в специальных печах.
Рис. 5. Ручной (халявный) способ получения листового стекла
Листовое стекло было дорогим и редким, а его нужно было много и дешевого.
Коренной перелом в производстве листового стекла совершил бельгийский инженер Эмиль Фурко в самом начале XX века. Он сумел наладить производство ленты стекла путем вытягивания ее вверх из расплавленной стекломассы. Фурко совершил революцию, создав массовое производство листового стекла, которое с большим успехом стали применять для остекления оконных проемов, однако качество этого стекла оказалось недостаточным для остекления транспорта, производства зеркал и ряда других изделий. Основным недостатком тянутого листового стекла являлось некоторое искажение изображения, как в кривом зеркале. Листовое стекло, лишенное этого недостатка, стали получать методом проката ленты стекла между двумя металлическими валками с последующим шлифованием и полированием поверхностей. Однако механическая обработка значительно удорожала его.
Следующий огромный шаг был сделан в середине прошлого века фирмой Пилкингтон в Англии. Инженеры фирмы предложили принципиально новый способ формования ленты стекла на идеально гладкой поверхности расплавленного металла, названный флоат-способом или способом плавающей ленты. Флоат-способ в течение короткого промежутка времени получил широкое распространение во всех странах мира, поскольку ни один из ранее применяющихся способов не позволяет получать листовое стекло настолько высокого качества, что оно без обработки годилось на остекление транспорта и производство зеркал.
Рис. 6. Флоат-способ получения листового стекла
Огромный шаг вперед сделали и другие стекольные производства, массовой продукцией (например, стеклотары). Достаточно посмотреть на ассортимент выпускаемых бутылок, чтобы убедиться, что машинам стало подвластно многое из того, что еще полтора века назад делалось только вручную.
И только художественные изделия из стекла целиком, как и многие столетия прежде, зависят от вкуса и мастерства стеклодела. От его рук зависит, окажется творение ширпотребом или, пережив столетия, будет изумлять и восхищать многие поколения потомков.
В настоящее время нет такой сферы деятельности человека, в которой не бы ли бы задействованы изделия из стекла. Они являются частью космических кораблей, исследующих ближайший космос и планеты солнечной системы и необходимы в подводных аппаратах, погружаемых в глубины мирового океана. Они с успехом применяются в медицине и служат материалом различных изделий, используемых в церковных обрядах. Ряд стекловидных материалов строительного назначения можно создавать на базе различных отходов, решая многие экологические проблемы. И в нашем повседневном быту мы постоянно сталкиваемся со стеклом, порой даже не обращая на него внимания: окна, банки, бутылки, стаканы, вазы, лампочки, очки, линзы, телевизоры, принтеры, смартфоны, подобный список можно еще долго продолжать. А ведь это все изделия, в которых есть стекло или которые полностью состоят из стекла, и при этом каждое из этих стекол имеет свой химический состав, отличный от других.
Традиционно львиную долю всех стекол представляют собой силикатные стекла, их основа диоксид кремния. Добавляя к нему различные компоненты можно варьировать свойства полученного материала в широком диапазоне. В настоящее время стало понятно, что практически все элементы периодической системы Д.И.Менделеева и их соединения могут быть добавлены в состав стекла, изменяя его свойства, прозрачность, твердость, коэффициент температурного расширения и т.д. Однако, как оказалось диоксид кремния это не единственное вещество, которое может затвердевать в виде стекла, помимо него стекло образуют оксиды фосфора, бора, германия и ряд других. Существует также целый класс неоксидных стекол: халькогенидные, фтор бериллатные, арсенидные, не так давно оказалось, что ряд металлов можно получить в стеклообразном состоянии. Все это открывает огромные перспективы использования стекла в новых ранее недоступных для него областях применения.
Еще недавно такие изделия из стекла как лазерное и волокна оптической связи казались вершиной технического прогресса, а сегодня они уже прочно вошли в повседневную жизнь и воспринимаются нами как обыденность. Исследования по стеклу идут дальше. Вот только два новых направления использования изделий из этого материала.
Было установлено, что стекло специального состава в виде мелких шариков размерами десятки микрон можно с успехом использовать для лечения онкологических заболеваний. Такие шарики, содержащие короткоживущие радиоактивные изотопы специальным шприцем вводят непосредственно в опухоль. Этот препарат быстро убивает опухоль изнутри, после чего он перестает быть радиоактивным. Подобный метод оказывается гораздо более эффективным и безопасным по сравнению с традиционными методами облучения опухоли.
Совсем недавно исследователи установили, что стекло может быть использовано в качестве материала носителя цифровой информации. Оказалось, что при помощи лазера в стекле можно создавать микрообласти поляризующие свет под разными углами. Это позволяет записывать и считывать информацию. Работы по созданию носителей памяти на основе стекла в настоящее время ведутся во многих передовых странах мира, в том числе и в России. Успех этих разработок позволит на носителях тех же размеров записывать на несколько порядков больше информации.
Это только два примера применения стекла в новых областях нашей жизни, сулящих значительный прогресс. Еще очень много тайн хранит этот уникальный материал, и огромные возможности для его использования будут открыты в дальнейшем.
Поделитесь им также в социальных сетях!