Стекло и стекловидное состояние вещества. Часть 1

Стеклом называют все аморфные тела, полученные путем переохлаждения расплава, независимо от их химического состава и температурной области затвердевания, обладающие в результате постепенного увеличения вязкости механическими свойствами твердых тел, причем процесс перехода из жидкого состояния в стеклообразное должен быть обратимый. Понятие «стекло» заключает наиболее характерные свойства практически изготовляемых стекол неорганического и органического состава. Из приведенного определения следует, что наиболее характерными свойствами, определяющими стекловидное состояние вещества, являются: аморфность, т. е. отсутствие развитой строго определенной кристаллической структуры, переохлажденное состояние расплава, обладающего чрезвычайно высокой вязкостью; изотропность физико-механических свойств; независимость от химического состава; наличие механических свойств, присущих твердому телу; обратимость превращений из жидкого состояния в стекловидное и обратно.

Вопросу изучения строения стекла уделялось в прошлом и сейчас значительное внимание. Следует упомянуть о взглядах академика Н. В. Белова, предполагавшего наличие некоторой аналогии между стеклом и кристаллами, о структурно-координационной гипотезе Дитцеля, агрегативной гипотезе О. К. Ботвинкина, отрицающей в стекле наличие соединений определенного состава — Захариазена — Уоррена, о взглядах на строение стекла В. В. Тарасова и др. Более глубокое внимание следует уделить теории А. А. Лебедева. Суть ее в следующем.

Существует ряд веществ, расплавы которых при сравнительно быстром охлаждении загустевают, не успев закристаллизоваться. Это происходит потому, что с понижением температуры вязкость расплава быстро возрастает и достигает такой величины, при которой скорость движения ионов, атомов и молекул настолько замедляется, что затрудняет возможность правильной ориентации их по отношению друг к другу. Вещества в таком состоянии называют стеклами, хотя механические свойства их подобны свойствам твердых тел. По сравнению с закристаллизованным веществом стекло того же химического состава обладает большим запасом внутренней энергии.

Стекло и стекловидное состояние вещества. Часть 2

При нагревании стекла не плавятся, а постепенно размягчаются и с повышением температуры сначала становятся пластичными, затем переходят в жидкотекучее состояние, которое при быстром охлаждении опять дает стекло. Таким образом, превращение вещества из жидкого состояния в стекловидное обратимо.

Во время охлаждения расплавов, способных образовывать пекла, может наступить при соответствующих условиях такой момент, когда некоторые атомы, ионы и молекулы займут по отношению друг к другу упорядоченное расположение. Величина таких образований не превышает нескольких десятков атомных радиусов. При быстром охлаждении расплава каждая такая группа не успевает вырасти в кристалл и остается в нем в зародышевом состоянии, будучи несимметрично связанной с другими такими группками. Такие чрезвычайно мелкие зародыши кристаллической структуры названы А. А. Лебедевым кристаллитами.

Кристаллиты представляют собой чрезвычайно малые, сильно деформированные микрокристаллообразования, сохраняющие лишь в центре наиболее близкую к строению кристаллов структуру. По мере удаления от центра к периферии кристаллическая структура кристаллита деформируется и в конечном итоге переходит в аморфное тело.

Если стекло нагреть до температуры, когда оно станет мягким, и выдержать при этой температуре некоторое время, оно закристаллизуется.

В настоящее время из стекол изготовляют изделия бытового назначения (стаканы, рюмки, графины); стеклотару (бутыли, консервные банки, бутылки, аптекарскую и парфюмерную тару и т. д.); изделия технического назначения (электроизоляторы, водомерные стекла, лабораторную посуду, оптику, электролампы, светофильтры, сигнальные стекла и т. д.); изделия медицинского назначения (физиотерапевтические лампы, шприцы, кюветы, стерилизаторы, дистилляторы и т. д.); изделия строительного назначения — оконное, зеркальное, витринное, армированное, узорчатое и другие плоские стекла; стеклоблоки, стеклотрубы, пеностекло, стекловолокно, стекловойлок, стеклонити и стеклоткани различного назначения. Стекло как материал широко используют для изготовления художественных изделий и имитации драгоценных камней.