從古老的手工藝品到現(xiàn)代科技產(chǎn)品，玻璃在形式和特性上表現(xiàn)出高度的多樣性，涵蓋了從玻璃瓶到雙層玻璃窗的廣泛領域。

日常生活中常見的玻璃通常是一塊透明的板材，可以讓我們看到玻璃的另一面。例如，透明而堅硬的窗口不僅可以遮風擋雨，還可以讓我們可以從窗戶欣賞到風景，但這只是眾多形式的玻璃中的一種。玻璃可以是透明的或不透明的，可以是有色的或無色的；它可以大到足以防彈，也可以像一張紙一樣薄。無論是飲料瓶、家居裝飾品，還是手機或平板電腦上的觸摸屏，玻璃幾乎隨處可見，無處不在。

玻璃也存在一定的危險性。當它破裂時，會形成鋒利的碎片，稍有不慎都有可能造成嚴重的傷害。此外，有些玻璃工藝品也非常脆弱，一個疏忽就可能使珍貴的藝術品碎裂成無數(shù)片。因此，在接觸玻璃制品時，我們通常需要格外小心。

這種廣泛使用的材料主要由二氧化硅和其他礦物組成。硅砂的主要成分是二氧化硅，它是制造玻璃的主要原料，也是沙漠中最常見的沙子類型。反應物種二氧化硅的純度越高，越有助于形成透明玻璃。這些天然原料在特定配方下混合，并在極高溫度下熔化，發(fā)生復雜的物理化學變化。在玻璃制造過程中，反應物會形成一種黏稠、熾熱的流體，這就是熔融玻璃液。剛從窯爐中取出的熔融玻璃液通常呈現(xiàn)熾熱的橙紅色或亮黃色，外觀上像黏稠的糖漿或巖漿。這與我們最終看到的玻璃產(chǎn)品在外觀和物理特性上有著天壤之別。

從原子層面看，室溫下的玻璃結(jié)構(gòu)非常特殊。 雖然它看起來和摸起來都像固體，但科學家發(fā)現(xiàn)玻璃并不會凝固。玻璃之所以能呈現(xiàn)出這種既非典型液體也非晶體的狀態(tài)，在于其內(nèi)部原子排列具有長程無序的特點，更接近一種“凍結(jié)”的過冷液體狀態(tài)。

熔融狀態(tài)的玻璃表現(xiàn)出黏性液體的特性

玻璃在離開高溫窯爐后冷卻時，其原子不會像晶體那樣有序排列形成晶格結(jié)構(gòu)，而是以相對隨機的方式固定下來，粒子處于一種無序堆積的狀態(tài)。正因如此，玻璃才能在外觀上呈現(xiàn)固態(tài)，卻不具備晶體固體的所有特性（如確定的熔點）。

玻璃制品又輕又透亮，用途也十分廣泛。然而，砂石原料一旦被熔制成玻璃，便無法通過簡單過程還原為原始礦物狀態(tài)，這使得玻璃的回收利用存在一定限制。回收利用時，通常需要將廢玻璃再次熔化，然后與新熔制的玻璃液混合，最終重新塑形為不同的玻璃制品。

在吹制玻璃工藝時，工匠操作時通常與熾熱的玻璃液保持約1.5米的距離。工匠會用一根中空的金屬吹管，將空氣吹入黏附在管端的玻璃料團中。這項技藝對操作者的技能要求極高，通常需要團隊協(xié)作完成。首先，工匠將吹管伸入盛有熔融玻璃液的窯爐中，蘸取適量的玻璃料；因為窯爐溫度極高，工匠在開始吹制前，需先將吹管的吹嘴端浸入冷水中進行冷卻；當空氣被吹入管端的玻璃料團時，玻璃料團內(nèi)部就會開始膨脹，逐漸形成一個不斷擴大的氣泡；吹制過程中，工匠需持續(xù)旋轉(zhuǎn)吹管，同時根據(jù)預設的造型調(diào)整玻璃的形狀。整個過程需要精準把握時間，因為玻璃料會迅速冷卻變硬。如果玻璃冷卻過快無法繼續(xù)塑形，可以把它重新放回爐中加熱軟化。工匠會通過多次蘸取玻璃液來制造多層效果。此外，還可使用鑷子等工具對初步成形的玻璃進行修飾，塑造出更精細的細節(jié)。

為了有效利用資源并減少對自然環(huán)境的影響，回收玻璃是至關重要的一步。如果人們都能將使用后的玻璃瓶投入回收系統(tǒng)，那么當前流通中的玻璃就可以被循環(huán)利用，從而顯著減少對新玻璃原料的需求和生產(chǎn)。理論上，這代表著在不大規(guī)模消耗新的地球資源的前提下，玻璃的供應可以持續(xù)循環(huán)下去。

自人類首次制造出玻璃至今，已有約5000年的歷史。進入21世紀，這種歷史悠久、性能多樣且應用廣泛的材料，仍在不斷拓展新的應用領域。新的發(fā)明創(chuàng)造不斷催生新的需求，同時科學知識的積累也為這種基礎材料賦予了更多可能性。隨著科技的持續(xù)進步，玻璃在未來必將展現(xiàn)出更為廣闊的應用前景。

文中圖片均來源于《How it works》雜志。

作者：《how it works》科普團隊

審核：孫明軒 上海工程技術大學 教授