Наистина ли стъклото е течност и как така виждаме през него?
Стъклото е доста готин материал. Но как работи на атомно ниво? Защо можем да виждаме през него, но не и през (например) метали? И какво изобщо представлява стъклото?
Често в интернет се повтаря „фактът“, че стъклото всъщност е течност, но е доста гъсто, за да можем да го видим как се движи. Обикновено този „факт“ се съпровожда от идеята, че витражите в старите църкви и катедрали са по-дебели в долната си част, което е резултат от гравитацията, която е събрала стъклото на дъното в продължение на векове. В действителност обаче това не е така. Всъщност стъклото има много общо с течностите, но има и общи неща с твърдите тела.
Съществуват много стъкла, но вероятно е най-лесно да се съсредоточим върху силициевия диоксид, основната съставка на повечето стъкла. Когато загреете достатъчно кварцовия пясък (SiO2), той се разтапя. В това течно състояние отделните молекули са свободни да се движат в материала, но ако го охладите достатъчно бързо, за разлика от металите и други твърди вещества, той не образува организирани кристални, нито поликристални структури, съставени пък от по-малки кристални структури, натъпкани една до друга.
„При охлаждане на течността обикновено се увеличава нейният вискозитет; но увеличаването на вискозитета има тенденция да предотвратява кристализацията. Обикновено, когато една течност се охлади до температура под точката на замръзване, се образуват кристали и тя се втвърдява; но понякога може да се получи преохлаждане, оставайки течна под точката си на топене, тъй като не може да задейства кристализацията“, обяснява Филип Гибс за Калифорнийския университет в Ривърсайд.
„Ако вискозитетът се повиши достатъчно при по-нататъшно охлаждане, може никога да не кристализира. Самият вискозитет се повишава бързо и непрекъснато, като се образува гъст сироп и накрая аморфно твърдо вещество. Тогава молекулите са с неорганизирана подредба, но с достатъчна кохезия, за да поддържат известна твърдост.“
В това състояние стъклото има свойства, сходни с тези на течност и твърдо вещество, но не тече като течност.
„В кратки срокове стъклото се държи подобно на твърдо тяло. Но заради течноподобната си структура за достатъчно дълъг период от време то ще претърпи процес, наречен релаксация„, обясняват учените в областта на материалознанието Джон Мауро и Кателин Кирхнер.
„Релаксацията е непрекъснат, но изключително бавен процес, при който атомите в парче стъкло бавно се пренареждат в по-стабилна структура. В продължение на 1 милиард години типично парче стъкло ще промени формата си с по-малко от 1 нанометър – около 1/70 000 от диаметъра на човешкия косъм.“
Тази аморфна, хаотична структура позволява на светлината да преминава през нея, без да се разсейва много, както може да преминава през вода. Но това не обяснява защо стъклото е прозрачно. За целта е необходимо да споменем електроните.
Когато фотон светлина попадне върху твърд материал, на субатомно ниво могат да се случат няколко неща. Фотонът може да бъде погълнат от материала, като обикновено го нагрява с енергията си. В този случай фотонът на практика изчезва, което означава, че нито се отразява, нито излиза от другата страна на материала, както се случва при стъклото и други прозрачни твърди тела.
Фотонът може да бъде и отразен. В този случай (най-общо казано, тъй като електромагнетизмът е доста сложна тема) фотонът се поглъща за момент, след което се излъчва фотон със същата дължина на вълната.
И в двата случая, заради поглъщането, светлината не преминава през обекта. Тя обаче може да премине през някои материали без да се промени, което е известно като трансмисия. Ако постъпващият фотон няма достатъчно висока енергия, за да възбуди електроните до по-високо енергийно състояние, той не се поглъща, а преминава.
В повечето материали видимата светлина е достатъчна, за да възбуди електроните до по-високите им енергийни състояния, и затова те не са прозрачни. Но в стъклото пролуките между възможните енергийни състояния са достатъчно големи, за да не може видимата светлина да доведе до по-високите енергии.
Стъклото пропуска видимата светлина, но ултравиолетовата е достатъчна, за да възбуди електроните в по-високи енергии, и затова много от тези дължини на вълните на светлината не преминават през него, което придава на стъклото някои филтриращи свойства.
