С какими свойствами связано наиболее известное применение стекла

Фото: Риджис Дувинье / Reuters

Перед тем, как появиться у вас на экране, эта статья была преобразована в оптические сигналы и со скоростью ~201 000 км/с передана по оптоволоконному кабелю. В основе кабеля — волокна, выполненные из тончайшего стекла, которое в 30 раз прозрачнее чистой воды. Технология стала доступной благодаря компании Corning Incorporated. В 1970 году, используя результаты многолетних исследований ученых всего мира, она запатентовала кабель, способный передавать большие объемы информации на дальние расстояния.

Аудиоверсия статьи: Podster | iTunes | YouTube | Скачать | Telegram

Если вы читаете со смартфона, не забудьте поблагодарить Стива Джобса, который в 2006 году попросил Corning Inc. разработать тонкий, но прочный экран для iPhone. Результат — Gorilla Glass — теперь доминирует на рынке мобильных устройств. Экраны смартфонов с Gorilla Glass пятого поколения не трескаются после падения в 80% случаев (тестовые устройства падали с высоты 1,6 метра — на этом уровне люди обычно держат телефон — на твердую поверхность).

И это далеко не все. Без стекла мир был бы неузнаваем. Благодаря ему человечеству стали доступны очки, лампочки и окна. Но несмотря на вездесущность стекла, в сообществе ученых все еще идет дискуссия об определении этого понятия. Одни считают стекло твердым телом, другие — жидкостью. Много вопросов до сих пор остаются без ответа: например, почему один вид стекла прочнее другого, или почему некоторые стеклянные смеси обладают именно такими оптическими и структурными свойствами. Прибавьте к этому существующие базы данных видов стекла, в одной из них более 350 000 известных на данный момент типов, что обеспечивает возможность создания огромного количества разных смесей. В результате мы получаем поистине интересную область исследования, которая регулярно производит новые удивительные продукты. Стекло оказало огромное влияние на человечество, и можно с уверенностью утверждать — стекло формирует облик нашей цивилизации.

«Мы используем стекло на протяжении тысяч лет, но до сих пор не понимаем, что это вообще такое», — считает Матьё Боши, эксперт по стеклу и член исследовательской команды Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. Как правило, стекло получают, нагревая, а затем быстро охлаждая смесь из нескольких веществ. Например, для создания плоского оконного стекла используют песок (диоксид кремния), известь и соду. Кремний обеспечивает прозрачность, кальций — прочность, а сода уменьшает температуру плавления. «Быстрое охлаждение предотвращает кристаллизацию стекла», — рассказывает Стив Мартин, специалист по изучению стекла в Университете штата Айова.

Именно из-за предотвращения кристаллизации стекло считают аморфным веществом — а не твердым телом или жидкостью. Атомы стекла стремятся восстановить кристаллическую структуру, но не могут, так как застывают на месте в процессе его изготовления. Возможно, вы слышали о том, что стекла в окнах древних соборов со временем стекают вниз, и поэтому становятся толще у основания. Это утверждение ошибочно: старинные технологии изготовления просто не позволяли сделать ровное стекло. Но оно все же находится в движении, пусть и очень медленном. Результаты F, опубликованные в прошлом году в «Журнале Американского керамического общества», показали, что при комнатной температуре стеклу старинного собора потребуется около одного миллиарда лет, чтобы переместился один нанометр вещества.

Люди начали делать орудия из обсидиана и других видов вулканического стекла еще на заре цивилизации, а первое рукотворное стекло впервые было изготовлено в Месопотамии чуть более 4 000 лет назад. Вероятно, его получили как побочный продукт при изготовлении керамической глазури. Вскоре эту технологию заимствовали древние египтяне. Исполнительный директор музея стекла в Корнинге Кэрол Уайт утверждает, что первыми стеклянными предметами были бусины, талисманы и прутики для создания мозаичного стекла. Часто с помощью минералов им придавали вид другого материала.

«К началу второго тысячелетия до нашей эры ремесленники начали изготавливать небольшие сосуды по типу ваз. Археологи нашли клинописные таблички с описанием процесса, но написаны они были тайным языком, предназначенным для сокрытия секретов производства», — добавляет Уайт.

Ко времени возникновения Римской империи стеклоделие стало важной отраслью экономики. Писатель Петроний рассказывает историю ремесленника, представшего перед императором Тиберием с куском якобы нерушимого стекла. «Кто-нибудь еще знает, как сделать такое стекло?» — спросил у ремесленника Тиберий. «Нет», — ответил ремесленник, подчеркивая собственную значимость. Тиберий без предупреждения приказал обезглавить бедолагу. Хотя мотивы Тиберия доподлинно не известны, можно предположить, что подобное изобретение могло разрушить стекольную промышленность империи.

Первое крупное новшество случилось в стеклоделии в первом веке до нашей эры, когда в окрестностях Иерусалима стекло начали выдувать. Вскоре римляне придумали, как сделать стекло более-менее прозрачным: так появились первые стеклянные окна. В восприятии стекла произошел значительный сдвиг, так как ранее его ценили только за декоративные свойства. Вместо того, чтобы любоваться стеклом, люди начали смотреть сквозь него. В течение последующих столетий римляне производили стекло в промышленных масштабах, и в конечном итоге оно распространилось по всей Евразии.

В то время науки как таковой не существовало, и стекло было овеяно ореолом таинственности. Например, в четвертом веке нашей эры римляне создали знаменитый кубок Ликурга, который меняет цвет с зеленого на красный в зависимости от угла падения света. Современные исследования показали, что невероятное свойство кубка обусловлено наличием наночастиц серебра и золота.

В Средневековье передовые секреты изготовления стекла хранились в Европе и арабских странах. В эпоху Высокого Средневековья европейцы начали производство витражей. По словам Кэрол Уайт величественные картины на стекле сыграли огромную роль в изучении малограмотным населением катехизиса. Не зря витражи еще называют библиями для бедняков.

Хотя оконные стекла появились еще в эпоху римлян, они по-прежнему были дороги и их было сложно достать. Но все меняется с постройкой Хрустального дворца ко Всемирной выставке 1851 года. Хрустальный дворец представлял собой выставочный зал с площадью остекления 93 000 кв. м. — в четыре раза больше, чем у штаб-квартиры ООН в Нью-Йорке, возведенной столетием позже. «Хрустальный дворец продемонстрировал людям достоинства и красоту оконных стекол, он оказал влияние на архитектуру и потребительский спрос», — рассказывает Алан МакЛенаган, директор компании SageGlass, специализирующейся на производстве тонированных окон и других изделий из стекла. Хрустальный дворец сгорел в 1936 году, но через несколько лет оконные стекла стали более доступными благодаря британской компании Pilkington, сотрудники которой изобрели технику создания термополированного стекла наливом расплавленной стекломассы на слой расплавленного олова.

В 13 веке, задолго до того, как оконные стекла стали повсеместно распространены, неизвестные изобретатели создали первые очки. Изобретение помогло в борьбе с безграмотностью и заложило основу для дальнейшего усовершенствования линз, которые позволили увидеть вещи, ранее неведомые. В начале 14 века венецианцы позаимствовали наработки мастеров из Ближнего Востока и Малой Азии и усовершенствовали процесс создания прозрачного стекла под названием «кристалло». Одна из техник предполагала тщательное расплавление кварцевой гальки вместе с золой солелюбивых растений, которые обеспечивали правильное соотношение кремнезема, марганца и натрия, о чем в то время, конечно, не догадывались. Жизненно важно было держать правила изготовления стекла в секрете. Несмотря на высокий статус, который имели все производители стекла, наказанием за пересечение границы Венецианской республики для них была смертная казнь. Венецианцы были лидерами на рынке стекла следующие 200 лет.

Используя стекло собственного производства, венецианцы также создали и первые зеркала. Не хватит слов, чтобы описать все изменения, которые повлекло за собой их появление. Ранее зеркала производили из полированного металла или обсидиана, они были очень дорогими и отражали свет не так эффективно. Новые зеркала сделали возможным появление телескопов и произвели переворот в искусстве: с их помощью итальянский скульптор Филиппо Брунеллески разработал в 1425 году линейную перспективу. Изменилось самосознание людей. Писатель Ян Мортимер даже предположил, что до появления стеклянных зеркал люди не воспринимали себя отдельными уникальными личностями, концепция индивидуальной идентичности не существовала.

У стекла широкий диапазон применения. Около 1590 года Ханс Янсен и его сын Захарий изобрели микроскоп с двумя линзами на концах трубки, который давал девятикратное увеличение. Голландец Антони Ван Левенгук сделал еще один шаг вперед. Будучи относительно образованным учеником торговца галантереей, Антони, считая нити на ткани, часто пользовался увеличительным стеклом и в процессе разработал новые способы полировки и шлифования линз, что позволило увеличивать изображение в 270 раз. В 1670 году с помощью своих линз Левенгук случайно открыл существование микроорганизмов: бактерий и протистов.

Английский ученый Роберт Гук усовершенствовал микроскоп Левенгука. Он автор знаменитого труда «Микрография», первой книги о микроскопическом мире с детальными гравюрами ранее невиданных образов, например, текстур губки или изображений блох. «Украшены блестящей черной броней, тонкого и аккуратного телосложения», — писал Гук о блохах. Вглядываясь в кору пробкового дерева через микроскоп, структура которой напоминала пчелиные соты и монастырские кельи, Гук ввел термин «клетка». Эти достижения потрясли науку и привели, среди прочего, к появлению микробиологии и теории микробного происхождения болезней.

Появление в лабораториях всего мира стеклянных пробирок и пипеток позволило измерять и смешивать разнообразные вещества и подвергать их всякого рода воздействиям. Стеклянные инструменты способствовали развитию химии и медицины, а также сделали возможным появление парового двигателя и двигателя внутреннего сгорания.

Пока одни ученые возились с микроскопами и мензурками, другие обратили свой взор на небо. Доподлинно не известно, кто изобрел телескоп, хотя первые упоминания об этом устройстве обнаружены в Нидерландах в 1608 году. Телескоп стал известен благодаря Галилею, который усовершенствовал имеющуюся конструкцию и начал изучать небесные тела. В ходе наблюдений за спутниками Юпитера, он пришел к выводу, что геоцентрическая модель мира не имеет смысла, чем вызвал недовольство Католической церкви. Инквизиционная комиссия 1616 года заключила, что заявление о гелиоцентризме «нелепое и абсурдное с философской точки зрения и, кроме того, формально еретическое, так как выражения его во многом противоречат Священному Писанию». Как видите, стекло может и до греха довести.

Влияние стекла на нашу жизнь не ослабевает. Заглядывая в будущее, исследователи надеются осуществить столь же существенный прорыв, используя стекло для обезвреживания ядерных отходов, создания безопасных батареек и проектирования биомедицинских имплантатов. Инженеры разрабатывают хитроумные сенсорные экраны, стекла-хамелеоны, небьющееся стекло.

В следующий раз когда вам на глаза попадется стеклянный предмет, задумайтесь, не странно ли, что материал рожденный землей и огнем, скованный, как пруд покровом льда, постоянно находящийся в атомном чистилище, настолько облегчает человеческую жизнь и способствует прогрессу. Внимательно посмотрите не как обычно сквозь стекло, а прямо на него, и вспомните, сколько явлений остались бы недоступны человеческому глазу, не будь у нас под рукой материала, который сам едва заметен.

Оригинал: The Atlantic.
Автор: Дуглас Мэйн.

Переводила: Алёна Зоренко.
Редактировали: Слава Солнцева и Александр Иванков.
Озвучил: Глеб Иванов.

Поддержать проект на Patreon.