Běžné sklo se vyrábí z oxidu křemičitého. A jak víme, jeho mechanické vlastnosti jsou “nic-moc”. Proč tedy nevyrobíme sklo z oxidu hlinitého, který se používá jako kvalitní brusný materiál pod názvem korund?
Ochlazování 1000 °C za sekundu
Problém s výrobou skla spočívá v tom, že roztavený materiál musíme ochladit tak rychle, aby nestačil vytvořit krystalickou strukturu a zůstal amorfní. To znamená, že atomy amorfního materiálu nemají své pevně dané polohy, ale jsou neuspořádaně rozmístěny. Je to víceméně tak hustá kapalina, že si myslíme, že je to tuhá látka. Mimochodem i sklo přece teče. Na hodně starých oknech by mělo být vidět, že horní část je tenčí než spodní, kam sklo zteklo. Nezbytné rychlosti ochlazování jsou skutečně obrovské. Dosahují až 10 miliónů °C/s, ale v případě oxidu hlinitého je to “pouze” 1000 °C/s.
Dosáhnout takové rychlosti ochlazování není u větších těles možné, a proto vědci z fimy 3M rozptylovali práškový oxid hlinitý i s příměsemi kovů vzácných zemin (lanthanoidy) do vysokoteplotního kyslíko-vodíkového plamene. Ty poté byly ochlazeny ve vodní lázni. Jelikož velikost vzniklých kapiček byla nanejvýš 140 mikrometrů, ochladily se ve vodě dostatečně rychle. Jak to? Čím je menší objem tělesa, tím větší je poměr jeho povrchu k objemu, jelikož objem roste s třetí mocninou rozměru tělesa, zatímco povrch s druhou mocninou. Protože tepelná výměna probíhá přes povrch tělesa a teplo je “obsažené” v jeho objemu, je zřejmé, že čím menší těleso bude, tím rychleji se bude ochlazovat.
Od kapičky ke skleněné desce
Malá, byť pevná, kapička skla by nám byla nanic. Bylo nutné přijít na způsob, jak z kapiček vytvořit větší celek. Vědci sáhli k osvědčené metodě spékání/slinování prášků tzv. práškové metalurgii. Jako pojivo bylo použito běžné křemičité sklo (samozřejmě v prášku :-). Pojivo se smísilo s hlinitým sklem a pod tlakem se zahřálo na 1000 °C. Sklo se natavilo a slinulo s hlinitým sklem. Výsledný materiál má mít téměř stejné mechanické vlastnosti jako krystalický oxid hlinitý.
V závislosti na tom, jaký lanthanoid byl použit pro příměs se měnily i vlastnosti výsledného skla. Jak je vidět na obrázku výše.
Sklo z oxidu hlinitého by kromě velké tvrdosti a pevnosti mělo mít také velký index lomu. V tom případě bychom se mohli těšit na velmi tenká skla do brýlí, která by poškrábal jen diamantový prsten.
Související:
Kovové sklo (27. 4. 2003) – Ultraprůhledné sklo vyrobené pouze z kovů ve stavu beztíže
*[oxidu křemičitého]: SiO2
*[oxidu hlinitého]: Al2O3
pep – 12.8.2004
Martin – WWW – 12.8.2004
pep – 13.8.2004
Palo – 15.10.2004
Martin – WWW – 15.10.2004
K – 19.10.2009
Martin – WWW – 20.10.2009