Téma

Ani kapalina, ani pevná látka. Sklo, jak ho (možná) neznáte

Sklo je materiálem mnoha tváří. Může být prastaré i moderní, pevné i křehké a dokáže nabýt téměř jakéhokoliv tvaru nebo barvy. Přesně díky těmto různorodým vlastnostem se z něj vyrábí všechno možné - od obrazovek smartphonů a optických kabelů až po lahvičky na vakcíny. Přinášíme článek profesora materiálové vědy a inženýrství Johna Maura a doktorandky materiálové vědy Katelyn Kirchner z Pensylvánské státní univerzity. Text byl původně publikován v The Conversation.

Ani kapalina, ani pevná látka. Sklo, jak ho (možná) neznáte
Ani kapalina, ani pevná látka. Sklo, jak ho (možná) neznáte

Překlad: Jakub Fousek • Foto: Jan Canty/Unsplash

Lidstvo používá sklo tím či oním způsobem již po celá tisíciletí, a přesto pro něj nalézá stále nová využití. Často se také setkáváme s tolik omílaným faktem, že sklo je vlastně kapalina, a nikoli pevná látka. Skutečnost je však mnohem zajímavější – sklo se totiž nedá s jistotou zařadit ani do jedné z těchto kategorií a v mnoha ohledech je skupenstvím samo o sobě. Jakožto dva materiáloví vědci, kteří se sklem zabývají, se neustále snažíme tomuto jedinečnému materiálu lépe porozumět a odhalovat tak nové způsoby, kterými lze tento materiál v budoucnu využít.

Co sklo vlastně je?

Nejlepším způsobem, jak porozumět sklu, je pochopit, jak se vyrábí.

První krok při výrobě skla spočívá v zahřívání směsi minerálních látek, nejčastěji uhličitanu sodného, vápence a křemenného písku, dokud se při teplotě přibližně 1480 stupňů Celsia neroztaví na kapalinu. Minerální látky v tomto stadiu kapalinou volně proudí a neuspořádaně se pohybují. Pokud se tato kapalina dostatečně rychle ochladí, tak ztuhne a svou neuspořádanou strukturu si zachová namísto toho, aby ztuhla do uspořádané krystalické struktury jako většina pevných látek. A právě tato neuspořádaná atomová struktura je to, co je pro sklo charakteristické.

V krátkém časovém úseku se sklo chová podobně jako pevná látka. Avšak po určité době začíná procházet procesem zvaným relaxace, kdy se jeho struktura podobá spíše kapalině. Relaxace je nepřetržitý, ale velmi pomalý proces, při kterém se atomy v kousku skla pomalu přeskupují do stabilnější struktury. Během jedné miliardy let se tvar takového kousku skla změní o méně než 1 nanometr, což je asi ¹/70000 průměru lidského vlasu. Mýtus, že stará okna jsou tlustší u dolního okraje vlivem celých staletí, kdy na okno působila gravitace a sklo tak pomalu stékalo, je vzhledem k pomalosti těchto změn nepravdivý.

Slovem „sklo“ se běžně označuje tvrdý, křehký a průhledný materiál, vyrobený z roztaveného písku, uhličitanu sodného a vápna. Existuje však mnoho druhů skla, které průhledné nejsou. Sklo lze navíc vyrobit z libovolné kombinace prvků v případě, že je možné kapalnou směs dostatečně rychle ochladit, aby nedošlo ke krystalizaci.

Od doby kamenné až po současnost

Sklo začali lidé používat před více než čtyřmi tisíci lety. Jedním z prvních způsobů jeho využití byly ozdobné skleněné korálky nebo například hroty šípů. Archeologové také objevili důkazy o tom, že samotné sklářské dílny mohly být staré až dva tisíce let. Jedna starověká dílna byla objevena poblíž Haify v dnešním Izraeli a pochází z doby kolem roku 350 n. l. Při průzkumu zde archeologové odkryli kusy surového skla, tavicí pece, užitkové skleněné nádoby a pozůstatky po foukání skla.

Moderní výroba skla začala na počátku 20. století společně s rozvojem technologií k hromadné výrobě skleněných lahví a plochého tabulového skla. Ve druhé polovině 20. století se sklo stalo neodmyslitelnou součástí elektronického a telekomunikačního průmyslu a nyní tvoří páteř internetu.

Sklo jako cesta k technologiím zítřka

V dnešní době už odborníci zdaleka nepoužívají sklo jen jako materiál na výrobu sklenic či zrcadel. Na špičce výzkumu skla stojí schopnost manipulovat s jeho složitou atomovou strukturou a procesem relaxace. Cílem je vyvinout takové sklo, které bude dosahovat specifických vlastností.

Vzhledem k tomu, že má neuspořádanou atomovou strukturu a neustále se mění, materiál ve dvou libovolných místech na tomtéž kusu skla se svými vlastnostmi bude do jisté míry lišit – ať už jde o pevnost, barvu, vodivost nebo cokoli jiného. A dva podobné kousky skla, které byly vyrobeny stejným způsobem a za použití stejných materiálů, se kvůli těmto rozdílům mohou chovat zcela odlišně.

Abychom lépe předpověděli, jak se takový kus skla chová, předmětem zájmu našeho týmu se stalo především to, jak kvantifikovat a manipulovat s chaotickou a neustále se měnící atomovou strukturou skla. Nedávné úspěchy v této oblasti mají totiž přímý přínos pro současné technologie.

Například obrazovky telefonů nepraskají tak snadno jako v roce 2014 – částečně i proto, že díky novým technikám zpracování je nyní možné dosáhnout menších rozdílů v pevnosti atomových vazeb a celkově tak znesnadnit šíření prasklin. Za posledních dvacet let rovněž došlo k výraznému zrychlení internetu. Vědci totiž objevili způsob, jak zajistit, aby hustota skla používaného pro optická vlákna byla jednotnější, a tudíž i účinnější při přenosu dat.

Hlubší pochopení toho, jak manipulovat s chaotickou a neustále se měnící strukturou skla, by mohlo v nadcházejících letech vést k velkému technologickému pokroku. Výzkumníci v současné době pracují na celé řadě projektů, mezi které patří třeba skleněné baterie s rychlejším nabíjením a vyšší spolehlivostí, větrné turbíny ze skleněných vláken, které by nebyly náročné na údržbu jako stávající turbíny, a například i vylepšená paměťová úložiště.