Pha lê

Trong lĩnh vực vật lý, các chất rắn vô định hình thường được tạo ra khi một chất lỏng có độ nhớt cao bị làm lạnh nhanh chóng, không để lại đủ thời gian cho các tinh thể thông thường hình thành. Pha lê cũng được sản xuất từ silicát gốc, gọi là pha lê silicát.

Silicát là dioxide silic (SiO₂) tồn tại dưới nhiều dạng tinh thể như cát và cũng là thành phần hóa học chính của thạch anh. Silicát có điểm nóng chảy khoảng 1.730 °C (3.146 °F), do đó thường được hỗn hợp với các hợp chất như soda (Na₂CO₃) hoặc kali cacbonat (K₂CO₃) để giảm điểm nóng chảy xuống khoảng 1.000 °C. Tuy nhiên, soda có khả năng làm tan pha lê trong nước - điều không mong muốn, do đó vôi sống (CaO) thường được thêm vào để bổ sung và tái tạo tính chất không tan của nó.

Ở dạng tinh khiết và điều kiện thông thường, pha lê silicát là chất trong suốt, khá cứng, khó bị mài mòn, chịu được hóa chất và không tác động sinh học, có bề mặt nhẵn và trơn. Tuy nhiên, pha lê dễ bị vỡ thành các mảnh nhọn khi chịu lực hoặc nhiệt độ đột ngột. Đặc tính này có thể được điều chỉnh bằng cách thêm bor oxide hoặc nhôm oxide vào quá trình sản xuất hoặc xử lý nhiệt.

Pha lê được sử dụng phổ biến trong xây dựng, sản xuất đồ dùng (chai, lọ, cốc, chén, ly, tách), trong quang học (kính, gương, sợi quang), công nghệ điện tử (đèn, màn hình, chất cách điện), bình phản ứng trong công nghiệp hóa chất, và trong y tế (xương, răng giả), cũng như trong các vật liệu trang trí khác.

Đặc tính

Thủy tinh trong suốt, không bị ăn mòn bởi axit (trừ axit hydrofluoric), cứng nhưng dễ vỡ. Thủy tinh không cháy và không hút ẩm.

Sự truyền sáng

Một trong những đặc điểm quan trọng của thủy tinh thông thường là khả năng truyền sáng, tuy nhiên độ truyền sáng của thủy tinh có thể thay đổi tùy theo các tạp chất có mặt.

Tính chất trong suốt của thủy tinh dựa trên sự thiếu mặt trạng thái chuyển tiếp của các electron trong khoảng bước sóng ánh sáng nhìn thấy, điều này làm cho nó trở thành vật liệu trong suốt nhất trong phạm vi bước sóng đó (những sự không đều này gây ra sự phản xạ ánh sáng, làm cho hình ảnh bị rải qua). Thủy tinh có thể được sản xuất bằng phương pháp thủ công hoặc công nghiệp.

Trong quá trình sản xuất thủy tinh, các kim loại và oxit kim loại được thêm vào để thay đổi màu sắc. Mangan có thể được sử dụng để loại bỏ màu xanh lá cây do sắt hay được sử dụng nhiều hơn để tạo ra màu tím amethyst. Tương tự như mangan, selen có thể được sử dụng một lượng nhỏ để làm sạch màu của kính, hoặc sử dụng nhiều hơn để tạo ra màu hơi đỏ. Coban (từ 0,025 đến 0,1%) tạo ra màu xanh da trời trong thủy tinh. Oxit thiếc với antimoan và oxit asen tạo ra thủy tinh màu trắng đục, được sử dụng lần đầu tiên tại Venezia để sản xuất đồ sứ giả. Đồng (từ 2 đến 3% oxide đồng) tạo ra màu xanh lam. Đồng nguyên chất tạo ra màu đỏ thẫm trong thủy tinh mờ, đôi khi được sử dụng thay thế cho thủy tinh màu hồng ngọc của vàng. Niken, tùy thuộc vào nồng độ, tạo ra thủy tinh màu xanh lam hoặc màu tím, thậm chí là màu đen. Sự thêm titan tạo ra thủy tinh màu nâu vàng. Vàng (một lượng rất nhỏ khoảng 0,001%) tạo ra màu hồng ngọc sáng, trong khi lượng nhỏ hơn tạo ra màu đỏ nhạt, thường được gọi là màu 'nam việt quất'. Urani (0,1 đến 2%) có thể được thêm vào để tạo ra thủy tinh có màu vàng phản xạ hoặc màu xanh lá cây. Thủy tinh urani thường không gây nguy hiểm về phóng xạ, tuy nhiên nếu nó bị mài nát như làm bằng giấy nhám, nó có thể là nguyên nhân gây ung thư. Hợp chất của bạc (thường là nitrat bạc) có thể tạo ra màu từ đỏ cam đến vàng. Phương pháp nung và làm lạnh thủy tinh có thể ảnh hưởng đáng kể đến màu sắc của các hợp chất này. Cách các chất này tham gia vào cấu trúc thủy tinh hiện nay vẫn chưa được nghiên cứu kỹ. Các loại thủy tinh màu khác vẫn được phát hiện thường xuyên. Các chất 'uniric' sẽ tạo ra nguồn gốc cho các hợp chất rắn khác. Thủy tinh 'bluoon' bao gồm các phụ gia từ cát và đá trắng. Phần cắt càng mịn, thủy tinh càng đẹp và bền, có chất lượng hơn.

Cần bổ sung thêm quy trình sản xuất thủy tinh là điều cần thiết hơn. Có thể lưu trữ thêm thông tin từ các thống kê.

Thủy tinh thông thường không cho phép ánh sáng có bước sóng nhỏ hơn 400 nm, tức là tia cực tím (UV) không đi qua. Điều này là do sự thêm vào của các hợp chất như ôxít natri, sắt, v.v. Thủy tinh thuần SiO₂ (còn gọi là thủy tinh thạch anh) ngược lại không hấp thụ tia UV và được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu độ trong suốt trong khoảng bước sóng này, mặc dù nó đắt hơn thủy tinh thông thường. Xeri|xêri có thể được thêm vào thủy tinh để tăng khả năng hấp thụ tia cực tím (bức xạ ion hóa nguy hiểm sinh học).

Thủy tinh có thể được sản xuất với độ tinh khiết cao đến mức hàng trăm kilômét vẫn trong suốt ở bước sóng tia hồng ngoại, được sử dụng trong các sợi cáp quang. Sắt được sử dụng nhiều trong thủy tinh để hấp thụ nhiệt, chẳng hạn như trong các tấm lọc nhiệt cho máy chiếu phim.

Chỉ số khúc xạ

Điểm nóng chảy

Giống như các chất rắn vô định hình khác, thủy tinh không có nhiệt độ nóng chảy cố định. Natri thường được thêm vào để giảm nhiệt độ nóng chảy của thủy tinh. Sự bổ sung của sô đa hay bồ tạt đôi khi cũng giúp giảm nhiệt độ nóng chảy xuống.

Lịch sử phát triển

Các loại thủy tinh tự nhiên, được biết đến như đá vỏ chai, đã tồn tại từ thời kỳ đồ đá. Chúng được hình thành tự nhiên từ magma núi lửa. Những người tiền sử sử dụng đá vỏ chai để làm các công cụ sắc bén như dao.

Lịch sử sản xuất thủy tinh được ghi nhận từ khoảng năm 2000 trước Công nguyên tại Ai Cập, khi thủy tinh được dùng làm men màu cho nghề gốm và các sản phẩm khác. Trong thế kỷ 1 trước Công nguyên, kỹ thuật thổi thủy tinh đã phát triển và các sản phẩm trước đây hiếm khi trở nên phổ biến. Trong thời Đế quốc La Mã, nhiều loại thủy tinh đã được sản xuất, chủ yếu là các bình và chai lọ. Thủy tinh lúc này thường có màu xanh lá cây do sắt trong cát sử dụng để sản xuất.

Các vật phẩm thủy tinh từ thế kỷ 7 và 8 đã được phát hiện trên đảo Torcello gần Venice. Đây là những đồ vật quan trọng liên quan đến thời Đế quốc La Mã và vai trò quan trọng của Venice sau này trong sản xuất thủy tinh. Khoảng năm 1000 sau Công nguyên, một bước đột phá trong kỹ thuật đã xảy ra ở Bắc Âu khi thủy tinh sô đa được thay thế bằng thủy tinh làm từ bồ tạt thu được từ tro gỗ. Từ đó, thủy tinh ở khu vực Bắc Âu đã có sự khác biệt so với khu vực Địa Trung Hải, nơi mà sô đa vẫn được sử dụng chủ yếu.

Trong thế kỷ 11, ở Đức, phương pháp mới để chế tạo thủy tinh tấm đã được phát minh bằng cách sử dụng quả cầu để thổi và sau đó biến chúng thành các hình trụ, cắt chúng trong khi còn nóng và sau đó dát phẳng thành các tấm thủy tinh. Kỹ thuật này đã được hoàn thiện vào thế kỷ 13 tại Vênidơ.

Đến thế kỷ 12, thủy tinh đốm (thủy tinh có các vết màu, thường là từ kim loại) không còn được sử dụng phổ biến nữa.

Vênidơ, từ thế kỷ 14 trở đi, đã trở thành trung tâm sản xuất thủy tinh nổi tiếng, nơi mà nhiều công nghệ mới đã được phát triển để sản xuất các sản phẩm thủy tinh xuất khẩu như đồ đựng thức ăn, gương và nhiều mặt hàng xa xỉ khác. Sau đó, các nghệ nhân thủy tinh từ Vênidơ đã lan tỏa sang các vùng khác như Bắc Âu, và sản xuất thủy tinh trở nên phổ biến hơn.

Công nghệ thủy tinh Crown đã được sử dụng cho đến giữa những năm 1800. Trong công nghệ này, thủy tinh lỏng có thể được thổi thành ống có đường kính khoảng 5 ft (1,5 m) và sau đó làm phẳng thành đĩa. Đĩa sau đó được cắt thành các tấm chữ nhật. Thủy tinh từ Vênidơ được coi là một trong những loại thủy tinh cao cấp từ thế kỷ 10 đến thế kỷ 14, nhờ vào bí quyết sản xuất của họ. Vào khoảng năm 1688, công nghệ ép thủy tinh đã được phát triển, mở ra cánh cửa sử dụng thủy tinh là vật liệu thông dụng. Việc phát minh ra máy ép thủy tinh năm 1827 cho phép sản xuất hàng loạt các đồ vật từ thủy tinh với giá thành rẻ hơn.

William J. Blenko đã phát minh ra phương pháp làm thủy tinh ống xy lanh vào những năm đầu của thập niên 1900.

Thủy tinh nghệ thuật đôi khi được tạo ra bằng cách khắc acid hoặc sử dụng các chất ăn mòn khác để tạo ra các hình ảnh trên bề mặt thủy tinh. Phương pháp mới để khắc acid theo khuôn đã được phát minh vào những năm 1920, cho phép các tác phẩm nghệ thuật được tạo ra trực tiếp trên khuôn, giúp giảm chi phí sản xuất và kết hợp với việc sử dụng rộng rãi các loại thủy tinh màu đã tạo ra các sản phẩm thủy tinh giá rẻ từ những năm 1930, sau này được biết đến với tên gọi thủy tinh thời kỳ suy thoái.

Hiện nay, ở nhiều quốc gia, bao gồm cả Hoa Kỳ, việc thu thập thủy tinh chai đã bị pháp luật cấm ở một số địa phương.

Ứng dụng

Thủy tinh là vật liệu cứng và không bị oxy hóa, rất hữu ích cho nhiều đồ dùng gia đình như cốc, chén, bát, đĩa, chai, lọ và nhiều sản phẩm khác như bóng đèn, gương, màn hình máy tính và ti vi, cửa sổ. Trên các lĩnh vực như hóa học, sinh học, vật lý và nhiều lĩnh vực khác, thủy tinh được sử dụng để làm các thiết bị như bình thót cổ, ống thử, lăng kính và nhiều dụng cụ khác, đặc biệt là thủy tinh silicat bo (như Pyrex) được ưa chuộng vì sức bền và hệ số giãn nở nhiệt thấp, giúp chống lại sự sốc nhiệt và đo đạc chính xác hơn khi làm nóng và làm nguội thiết bị. Trên hầu hết các ứng dụng đòi hỏi cao, thủy tinh thạch anh được sử dụng, mặc dù việc làm việc với nó rất khó. Các loại thủy tinh như vậy thường được sản xuất hàng loạt bằng nhiều công nghệ khác nhau, và các phòng thí nghiệm lớn vẫn cần nhiều loại đồ thủy tinh khác nhau.

Tái chế

Thủy tinh có thể tái chế khi nó nóng chảy hoặc trở nên dễ dàng uốn nắn, cho phép tái sử dụng các phế liệu có tính chất tương tự sản phẩm cuối cùng cần tạo. Ở các nhà máy sản xuất thủy tinh lớn, lò nấu liên tục được sử dụng để giảm thiểu việc dừng lò, vì sự cứng đông của thủy tinh thừa có thể phá huỷ lớp gạch chịu lửa xây lò và tăng chi phí xây dựng gạch mới cũng như nhiên liệu để đạt nhiệt độ nấu thủy tinh. Kết quả là một số sản phẩm thủy tinh thành phẩm bị đập vỡ và được tái chế lại để duy trì hoạt động của lò.

• Men gốm
• Chất rắn vô định hình
• Pha lê

Chú thích

Liên kết bên ngoài

• Encyclopedia of Glass – Hướng dẫn đầy đủ về tất cả các loại thủy tinh xưa và nay với thông tin, hình ảnh và nguồn tham khảo.
• Viện bảo tàng văn hóa Canada – Chuyện kể về sản xuất thủy tinh tại Canada
• Bảo tàng thủy tinh Corning
• 'Quá trình sản xuất đồ thủy tinh của bạn như thế nào' tác giả George W. Waltz, tháng 2 năm 1951, khoa học tổng quát.