材料科學啟蒙之玻璃是怎樣製成的?

2021-01-17 搬書回巢001

在動畫電影《虎皮萌企鵝》中,企鵝莫裡斯要給他的魚兒子重新打造一個玻璃小屋。只見他捧起沙子倒入容器內,加熱一段時間後就吹出一個玻璃球。

你會不會以為這真的只是童話故事裡的幻想?事實上,製作玻璃的原材料,還確實是沙子,或者說,是沙子中的主要成分——二氧化矽。

只不過,沙子的熔點高達1200攝氏度,像電影中莫裡斯那樣,靠普通燃料加溫是達不到這麼高溫度的。

歷史上,第一顆原子彈的爆炸現場,在爆炸點附近就發現了玻璃狀的物質。這就是核彈爆炸時產生的高溫使沙漠中的沙子熔化,凝結成了玻璃狀的物體。因為第一顆原子彈代號名為「Trinity」,因此在核爆現場產生的這種玻璃又被稱為「Trinitite」。

在爆炸後的彈坑中散落著很多這樣的玻璃碎塊,多為橄欖綠色。因此,在一些藝術創作中,人們會用綠色來代表核汙染。比如在動畫片《辛普森一家》裡,辛普森從核電廠拿的燃料棒就是綠色的。

實際上,燃料棒被放在合金管中,一般呈銀白色。

閃電擊中地面時產生的瞬間高溫也有可能形成玻璃,被稱作閃電熔巖。產生這種現象的前提是地面土壤中的二氧化矽含量超過50%,氧化鋁大約在20%左右才行,所以閃電熔巖多數都產生於沙漠之中。

閃電熔巖含有很多氣泡。久遠時代的閃電熔巖就自然保存了那個時期的空氣。科學家們可以通過研究這些氣體,了解該地區的氣候歷史。

靠閃電來製作玻璃,隨機性太大。不過,古埃及人早在4000年前就開始製作玻璃了,估計這和他們地處沙漠的地利條件有關。那時玻璃一般用於製作首飾或者酒具等,屬於奢侈品。

2000年前,古羅馬人掌握了低溫製作玻璃的工藝。隨著製作成本的下降,產量上升,價格也不再高高在上,玻璃製品開始進入人們的日常生活了。

玻璃窗就是從那個時候開始興起的。在那之前,人們都是用窗簾來遮擋風雨。不過,因為那時還不能製作大塊的平面玻璃,需要把窗戶分割成很多小塊。為了美觀,人們會用不同顏色的玻璃來搭配,甚至組成圖案。後來,表現宗教故事的彩繪玻璃窗逐步發展為哥德式建築的主要特色。

我們中國在約2000年前,也有過人工製作玻璃的記載。但後來這種技藝失傳了。直到1000多年前的宋元年間才又開始製造玻璃,只是成品的質量一直不如人意,一盛熱酒就會碎。相比之下,我們在陶瓷方面的工藝日趨精湛。用陶瓷製作餐具、酒具實用又美觀。在很多方面,陶瓷都能夠完美地取代玻璃。估計就是這個原因,玻璃工藝在我國遲遲沒有得到發展。

英國科普作家馬克·米奧多尼克在《迷人的材料》一書中指出,或許正是因為中國的玻璃技術落後於西方,沒能同步發明望遠鏡和顯微鏡,才使得17世紀時西方的科學發展獨領風騷。

比爾·蓋茨曾經在博客中專門推薦這本《迷人的材料》。他稱讚作者米奧多尼克「詼諧、聰明」,所寫的文章讀起來浪漫又輕鬆,充分展現了其專業資質和水平。

米奧多尼克是英國皇家工程學會會士,擔任倫敦大學學院材料科學教授,曾入選《泰晤士報》"英國百大影響力科學家"。他熱衷於科普材料科學,擔任過多部科普紀錄片的主持人。

他所撰寫的這本《迷人的材料》榮獲2014年英國皇家學會科學圖書獎,並被《紐約時報》評為「2014年值得閱讀的一百本書」之一。

除了玻璃之外,他在書中還介紹了鋼、混凝土、紙、塑料、瓷器及巧克力等9種材料。他會提到這些材料的起源,也會談到他們的現狀和發展,對於人類發展做出的貢獻等等。

閱讀《迷人的材料》,打開科學世界的新大門。

搬書回巢,有書智庫領讀達人,新浪微博認證書評人。圖書編輯、網絡編輯、運營編輯……這麼多年,兜兜轉轉還是和文字打交道。我願搬書回巢,助你師逸功倍。

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