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5000年前,人類是怎么把玻璃“吹”出來的?

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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

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