玻璃的“七十二变”本领

玻璃, 据说是沙滩上的石英砂与苏打一起熔化烧炼出来的。石英砂是一种坚硬、耐磨、化学性能稳定的硅酸盐矿物, 用它制成的玻璃是透明、易碎的用品, 可现在的玻璃有似钢铁坚而不碎, 有如橡胶伸缩弹性, 又有的玻璃窗起空调作用使房间冬暖夏凉……玻璃怎能像孙悟空一样有“七十二变”呢?

原来, 玻璃的“七十二变”来自化工魔术师的帮助。

新型的安全玻璃

安全玻璃的发明来自一则车祸新闻。

1920年的一天, 法国一份报纸上刊登了这样一段新闻:一辆汽车在高速行驶时, 方向盘突然失灵, 撞到了路边一根电线杆上, 接着又翻到了路边一条沟里。车上三名乘客惨遭不幸, 两名当场身亡, 一名身受重伤。

为什么这起车祸有三名乘客伤亡?报道还特地从中找出问题:不幸主要来自汽车玻璃。由于破碎的窗玻璃, 有如尖刀刺进身体, 犹如犬牙交错而划得乘客浑身血流不止。最后, 报纸发出诘问:有没有办法给汽车车窗装上不会碎成片的玻璃呢?这篇报道引起了法国化学家别涅迪克的注意。

这让他想起了1903年深秋的一件事。那天, 别涅迪克像往常一样, 正在和助手打扫他的小实验室。他让助手爬上橱顶去擦玻璃, 忽然听到一声沉闷的碰撞声, 助手将一只烧瓶碰了下来。奇怪, 怎么没有清脆的碎裂声!他跑过去一看, 发现这只烧瓶竟然没有跌碎。“这真是怪事!”他要找出玻璃瓶不碎的原因。

原来, 这只长颈平底的薄玻璃烧瓶是用来盛放硝化纤维的乙醚熔液的, 时间一久, 乙醚挥发了, 留下的硝化纤维就形成了一层胶膜, 犹如一层皮一样紧紧地贴附在烧瓶壁上。正是有了这层皮, 玻璃烧瓶才避免了“粉身碎骨”。

超强“大猩猩玻璃”

这件趣事启迪了那天的车祸报道要研制“不会碎成片的玻璃”的新灵感:在两层玻璃中间夹一层透明的硝化纤维膜, 让它们粘合在一起, 不就可以制成不会碎成片的安全玻璃了吗?

碎不成片的安全玻璃

别涅迪克经过两年的努力, 克服了一个又一个困难, 终于研制成了一种新型的安全玻璃。今天被广泛用在汽车的挡风窗、飞机座舱窗、坦克潜望镜, 以及各种防弹汽车窗等, 真是大出风头一番。

像橡胶似的玻璃

易碎的玻璃与柔韧的橡胶是两种迥然不同的材料, 而日本东京工业大学和横滨朝日玻璃有限公司的科学家合作, 开发出了一种新的氧化物玻璃, 它能在高温环境中如橡胶那样伸缩。有人称这种特殊玻璃为“橡胶玻璃”。

科学家研究发现, 氧化物玻璃在软、长、直链分子结构方面与有机橡胶拥有相似的结构特征。于是, 他们根据不同氧化物对磷酸盐玻璃结构与性能的影响, 向磷酸盐玻璃中加入锂、钠、钾和铯, 制成了含有多种碱金属离子的偏磷酸盐玻璃。

当进行加热和拉伸时, 这种特殊玻璃在约220℃~250℃的环境下会出现伸缩弹性, 这时玻璃本身就变得和橡胶一样。在实验中, 10毫米长的玻璃棒被延伸至20毫米后, 能够回复到12毫米长。如果是35%左右的延伸比例, 则能够恢复原有长度。但这种氧化物玻璃是各向同性的, 在室温环境中, 这种玻璃又会变得既硬又脆, 容易破碎, 和普通玻璃是一样的。

混合碱偏磷酸盐玻璃

由于高温环境中不能使用有机聚合物橡胶, 而这种玻璃在高温有氧环境中不会燃烧, 所以这种玻璃有望在高温、氧化环境中代替有机高分子橡胶得到应用。如在高温环境中, 机械连接部分的缝隙可用这种玻璃材料填补, 或将这种玻璃用作吸收冲击的缓冲材料。

冬暖夏凉的玻璃

我国研发的低辐射 (Low-E) 玻璃

多年来, 德国联邦总统府的雇员们一直对于办公大楼顶层的破旧百叶窗恼火不已, 每逢夏天, 他们就感觉自己像坐在温室里办公一样。2011年夏天, 德国联邦总统府终于换上了新的玻璃屋顶, 即安装了620块新型玻璃后, 他们不再需要遮光物, 只需按一下按钮, 这些玻璃自己就能变暗。

原来, 德国联邦总统府屋顶的玻璃, 是一种化学和电子学结合的双层玻璃, 它的内壁蒸镀了薄薄一层透明的氧化钨。在两层玻璃之间, 是一层含有锂离子的高分子膜。通电后, 随着锂离子向钨层移动, 钨层逐渐会被染成深蓝色。大约15分钟后, 窗玻璃就会变暗。即使切断电, 玻璃仍会保持这一颜色, 挡住外面近90%的可见光。

变暗、挡光的窗玻璃自然好, 它吸收了相当一部分太阳能, 但怎么解决普通玻璃窗冬天冰冷而夏天发烫的问题呢?国外研究人员开发出一种魔法玻璃窗, 可以达到冬暖夏凉的效果。这种玻璃窗不需要消耗电能, 就能为屋子升温或降温, 可说是近年来低碳建材中的佼佼者。

它的奇特之处就在于表面涂抹了一种超薄层物质二氧化钒和钨的混合物。当天气寒冷的时候, 二氧化钒能吸收红外线, 产生温热效应, 从而提高室内温度;相反, 窗外温度过高时, 两种粘合在一起的物质的分子发生相应变化, 反射红外线, 从而使室内温度变得凉爽。在这层神秘的涂层中, 最有“智能”的核心就是其中所含的2%的钨, 它能决定二氧化钒到底是吸热还是散热。

而在国内, 也有厂商研发出一种低辐射镀膜玻璃, 简称低辐射玻璃或Low-E玻璃。这种不到头发丝1%厚度的低辐射膜层对远红外热辐射的反射率很高, 能将80%以上的远红外热辐射反射回去。冬季, 它对室内暖气及室内物体散发的热辐射, 可以像一面热反射镜一样, 将其绝大部分反射回室内, 保证室内热量不向室外散失, 从而节约取暖费用。夏季, 它可以阻止室外地面、建筑物发出的热辐射进入室内, 节约空调制冷费用。这种玻璃目前已在清华大学节能楼和五棵松篮球馆等建筑上使用。

“穿”变色衣的玻璃

变色眼镜是许多人熟悉的“穿变色衣”玻璃。戴上变色眼镜在遇到阳光强烈时镜片颜色会变深, 反之就变淡了。镜片玻璃会变色, 是因为它加入了具有感光性的卤化银 (的混合物) 作为感光剂, 再加入极微量的敏化剂, 以提高光色互变的灵敏度。敏化剂一般是砷、锑、锡、铜的氧化物, 其中氧化铜效果最好。在照相底片上也涂有感光性的溴化银, 曝光后溴化银分解, 经过显影、定影, 银留下来了, 而溴及未感光的溴化银洗掉了, 所以照相底片只能用一次, 光化学反应是不可逆的。而在变色玻璃中由于玻璃是固体, 加上玻璃的不渗透性和惰性, 分解后的银原子和卤素原子都留在原处。当光照减弱时, 在氧化铜等氧化物的催化下, 银原子和卤素原子又重新结合成无色的卤化银分子, 使玻璃颜色也变浅了。这就是“变色镜”的变色原理。

美国加利福尼亚的一家玻璃公司, 他们生产出一种新的可以变色的玻璃, 在两块窗玻璃之间创建导电层以控制透过玻璃的光和热的总量。这种玻璃就像百叶窗一样能够受人控制, 在不同的时间吸收和反射合适的光线。

会变色的智能玻璃

这种玻璃的奥秘在于中间包有一层离子存储层、一层电解液以及一层电致变色层的透明导电氧化物薄膜, 这些都被夹在薄薄的两层玻璃中间。

整个系统通过传感器来控制, 当外面光线较强时, 传感器接收指令, 低电压被施加到导电的氧化层时, 离子存储层就会释放出离子, 离子穿过电解液到达导电氧化层, 就会产生变色。这种接触会引起变色材料变暗, 从而使窗户看起来有颜色。相反, 当外面光线较弱时, 系统会施加反向电压, 使离子返回到存储层, 从而使窗户颜色变亮, 让更多的阳光透进来。这样一来, 窗户就能自动调整光线的摄入。

因为这些材料的特殊性, 在电场或电流的作用下, 颜色会变深或变浅, 对光的透射率和反射率都会产生相应可逆的变化。人们就利用这些特殊的材料, 制作一套“光电转换系统”植入玻璃, 使它实现智能变换的效果。

可代窗帘的玻璃

人们在安装窗玻璃时, 往往会面临两难选择:是安装普通透明玻璃好, 还是有色玻璃 (或者毛玻璃) 好。普通透明玻璃可以让室内光线充沛, 明亮灿烂, 但是它也让生活中的隐私暴露得一览无余;装有色玻璃 (或者毛玻璃) 吧, 虽然让你留够了私人空间, 但它却有着不透光的缺陷。鱼和熊掌不可兼得, 人们往往无可奈何地选择妥协:在窗玻璃后面拉上一道厚重的窗帘!

可调节透光率的智能玻璃

2014年, 新加坡研究人员发明一款智能玻璃窗, 可以在不需要电力的情况下变得不透光, 或变得完全透明。用这种玻璃制作的窗户在白天可以转变成蓝色, 减少约50%的透光程度, 在晚上则可以恢复透明状态。

这种智能调光玻璃的改变也是化学效应的结果, 若电源被接上, 其中一片玻璃所漆上的色素将与氧气产生化学效应, 使玻璃的颜色变蓝。相反的情况发生时, 玻璃就会恢复无色透明的状态。

科学家还告诉我们, 这款智能玻璃窗其实相当于一个可充电电池, 所储存的电能能够使LED灯等低耗电量的电子产品发光。

而美国科学家正在研发的一种采用电控材料来调整透光率的玻璃:一块亮晶晶的普通玻璃, 经过简单的遥控调节, 在刹那间就变成了不透明的毛玻璃。

这种玻璃的奥秘在于它是两块普通玻璃中间加了一层通电的液晶分子膜。当没有电流通过薄膜时, 液晶分子在自由状态下呈无规律排列, 入射光被散射, 玻璃变暗;当通电施加磁场后, 液晶分子呈垂直排列, 允许入射光通过, 玻璃便透明起来。也就是说, 人们只需通过调整电压的高低来调节玻璃的透光率, 从而替代窗帘的开合。

能自洁净的玻璃

每逢假节日来临, 不少人都为大扫除清洁玻璃窗而烦恼。尤其是高楼住宅上那大块玻璃窗, 请来清洁工清洗玻璃还要为她的安全而发愁。然而, 科技带来的恩惠, 却使我们把擦拭玻璃窗的不便与危险都统统抛开了, 因为美国科学家们已研制出一种叫“莲花”的特殊玻璃, 它能够借助自然界的力量自我清洁。

“莲花”之所以能给玻璃自己“洗澡净身”, 就在于它是用一种特殊的技术, 加入特殊的成分烧制而成的。一旦污垢附着到“莲花”身上, 它的表面就会在阳光的作用下产生具有强氧化能力的电子空穴对。紧接着, 电子空穴对又与空气中的氧气和水分子相作用, 产生负氧离子和氢氧自由基。在强烈的氧化还原反应中, “莲花”将附在其表面的各种有机物分解为水和二氧化碳。最后, “莲花”又经过雨水的洗礼, 涤荡掉从其表面脱落的剩余污垢, 洁净的外表再次熠熠生光。

自洁净的玻璃效果比较

也许有人要担心, 由于强烈的氧化还原反应不断进行, “莲花”表面的特殊物质是否会逐渐消失, 到时候它是不是又变回普通的玻璃?为此, 科研人员解释说, 这种特殊物质在整个自我清洁过程中只起催化作用, 本身不损失, “莲花”披着的这层外衣永远也不会褪色。

滴水不沾的玻璃

刚刚说到了能自我清洁的玻璃“莲花”, 现在让我们再来认识一种像荷叶般不沾水的玻璃。

滴水不沾的玻璃效果比较

说起荷叶, 我们可能都不会陌生。夏日里, 它就像一支绿箭, 笔直地挺出水面;它又像是一位曼妙的凌波仙子, 随着清风起舞。可是, 你有没有注意到荷叶是滴水不沾的, 凡是落到荷叶上的水珠都会顺着它那光滑的叶面滑落下来, 这就是人们常说的“荷叶效应”。然而, 这个效应在和荷叶一样光滑的玻璃身上却行不通。普通玻璃上如果附有灰尘, 当水流过时, 尘埃会吸附这些水珠, 玻璃面就会沾满水滴。这也是为什么下雨天玻璃窗模糊不清的原因。最近, 人们终于发明了一种不沾水的玻璃, 玻璃也终于能产生出“荷叶效应”了。

神奇的不沾水玻璃和普通玻璃在构造上并没有太大区别, 只是表面多了层高科技的纳米涂层。你可别小看这层薄薄的纳米涂料, 它混合了纳米二氧化硅、磷酸钛化合物、氧化锡三种物质, 具有超亲水、防静电、防雾、防结露等特性。其中的超亲水特性最令人不可思议, 水会始终紧贴玻璃表面流动, 遇到尘埃则会把尘埃也一起带走, 使得整个玻璃面滴水不沾。

这种玻璃的用途很广, 它给人们的日常生活带来许多便利。比如说, 司机朋友们就再也不用为下雨天发愁了, 因为即使车窗外的雨再大, 雨水也会统统顺着玻璃淌下, 丝毫不妨碍人们前方的视线。可能等到不沾水玻璃上市的那一天, 雨刷器就要被彻底淘汰了。

披上彩虹的玻璃

“赤橙黄绿青蓝紫, 谁持彩练当空舞”。如今的玻璃有了“七十二变”本领, 不再是透明的, 而是像身披彩虹有了各种各样的颜色。为什么呢?

原来, 在红色光和紫色光之外还有人眼所看不见的光线, 即红外线与紫外线。

警察用装有红绿色玻璃的信号灯指挥交通, 摄影师在照相机上加了“黄镜头”摄得了层次丰富、颇有艺术感的风景照。这一类能让某些波长的光线通过而吸收掉另一些波长光线的玻璃, 通称为滤光玻璃。各种颜色玻璃都属滤光玻璃, 能透过各种可见光的无色玻璃也属滤光玻璃。

少数化合物能吸收掉可见光中的某些波长, 这些化合物称为着色剂。滤光玻璃是在白玻璃中加入了着色剂而制成的。正是这些着色剂给玻璃染成了各种颜色。按照光吸收的机理, 着色剂可分成离子着色、胶体着色和半导性着色三种类型。

许多过渡金属离子和稀土金属离子能作为离子着色剂。如亚铁离子在近红外区有一个很宽的吸收带, 因此人们就用亚铁来制造透可见光而吸收红外线的隔热玻璃;二价钴离子对黄色、红色光有很强的吸收作用, 因此, 含微量钴的玻璃常呈深蓝色, 它可以与铁、铬等离子一起来制造电焊护目镜玻璃。

稀土铁离子在玻璃中有一系列尖锐的吸收峰, 且每个吸收峰又有固定的波长位置。这种玻璃常用来检查分光光度计的波长刻度, 使用十分方便。稀土铈离子对紫外光有强烈的吸收作用, 在有些眼镜片玻璃中加入极少量铈可以保护眼睛免受紫外光伤害。含铈玻璃还有一个十分重要的特性, 就是这种玻璃经x射线、γ射线或者空间宇宙射线辐照后, 玻璃依然保持透明, 而不像其他玻璃那样被染成棕褐色。因此, 用含有少量铈的光学玻璃制造的透镜可以在空间卫星、宇宙航行中或者核战争条件下使用。

金、银等金属在玻璃中分别表示红色与黄色, 俗称“金红”玻璃、“银黄”玻璃。刚熔制好的这种玻璃是浅色的, 必须经过500~600℃的热处理, 使玻璃中的金或银聚集起来成为一定大小的胶体颗粒, 才能显现出红色或黄色。这种着色机理称为胶体着色。

我们日常所见的色泽鲜艳的黄、橙与红色玻璃, 几乎都是由硫硒化镉着色的, 称为“镉黄”、“硒红”玻璃。这种玻璃也要经过适当温度的热处理才能显现出颜色。若测定这种玻璃的吸收光谱, 可发现其透光特性很奇异, 即小于某波长的光它几乎能完全吸收, 而大于此波长的光却极大地透过。这种光吸收特性与典型的胶体着色玻璃很不相同。它是由于玻璃中所存在的硫硒化镉晶体的半导体性质所引起的。这种着色机理称为半导性着色。属于这类着色机理的还有含硫化锑的红颜色玻璃, 即所谓“锑红”玻璃。

掺有着色剂的彩色玻璃

根据装修的需要加不同着色剂的玻璃

“半导性着色”启示着科学工作者运用新的半导体着色剂去合成新的滤光玻璃, 发展玻璃新品种。正是在这种理论指导下, 我国在20世纪60年代末首先研究成功了另外两类用其他半导性化合物着色的新的近红外滤光玻璃。这两类玻璃可以把可见光极大地吸收掉而只让近红外光透过, 可应用在红外探照灯上。它的原理是, 让一个灯泡照射目标, 再用一个接收仪来显示被照目标的图像。这类玻璃还可应用在其他的红外光学装置上, 如红外警戒仪、红外通讯仪等等。

有趣的是, 有些半导性着色的玻璃却有着“欺弱怕强”的习性。如硒化镉着色的玻璃在通常情况下对694.3毫微米的光是显现强吸收的, 然而在很强的红宝石激光 (波长也是694.3毫微米) 照射下, 它却突然变得透明。半导性着色玻璃的这种奇特的习性在激光调制技术上可有不少用途, 科学工作者正在寻找一些具有这种奇特性质的新的半导性着色玻璃。