بالاخره شیشه جامد است یا مایع؟

شیشه جامد است یا مایع؟ این سوالی است که شاید در ظاهر کمی عجیب به نظر برسد، اما واقعا سوال خوبی است و ارزش بحث و بررسی دارد. در این مطلب می خواهیم به این سوال که بالاخره شیشه جامد است یا مایع؟ پاسخ دهیم.

شیشه ماده ای عجیب و غریب است. از شن ساخته می شود اما می تواند شفاف باشد! جامد است اما خواص مایعات را دارد! به تصویر بالا نگاه کنید. چگونه چیزی شفاف و بی رنگ است اما ممکن است رنگی به نظر برسد؟ هیچ رنگی در این لیوان شیشه ای وجود ندارد! اما با شکست نور و تفکیک طول موج این رنگ های زیبا به چشم می آیند. این عکس یک نمای نزدیک از یک لنز فرنل از یک فانوس دریایی است.

 

شیشه چیست؟

شیشه چیست؟ باور کردنش سخت است اما، شیشه از شن مذاب ساخته می شود. با حرارت دادن شن معمولی (که بیشتر از دی اکسید سیلیکون ساخته شده است) و مذاب کردن آن، می توان شیشه تولید کرد. البته برای ذوب کردن شن به دمایی بالاتر از 1700 درجه سانتیگراد نیاز است.

هنگامی که شن مذاب سرد می شود، دوباره به شن تبدیل نمی شود بلکه دچار دگرگونی کامل شده و ساختار درونی کاملاً متفاوتی به وجود می آورد. مهم نیست که چقدر مواد مذاب را خنک می کنید، چون هیچ گاه جامد نخواهد شد! شیشه در واقع یک مایعِ جامد است که دانشمندان از آن به عنوان جامد بی شکل یاد می کنند. شیشه نقطه تلاقی بین جامد و مایع است؛ با مقداری از نظم کریستالی یک ماده جامد و مقداری از تصادف مولکولی یک مایع.

امروزه استفاده از شیشه به امری متداول تبدیل شده است. استفاده های فراوان از شیشه در دور و اطرافمان کاملا قابل مشاهده است. شیشه جدا از اینکه نور را عبور می دهد، ماده ای ارزان قیمت است و تولید آن زیاد سخت نیست. شیشه از نظر شیمیایی، ماده ای کاملا خنثی است و با مواد دیگر واکنش نشان نمی دهد. همچنین قابلیت بازیافت شیشه نیز از دیگر ویژگی هایی است که آن را به ماده ای محبوب برای ما تبدیل کرده است.

 

شیشه چگونه ساخته می شود؟

هنگامی که دانشمندان آمریکایی نمونه اولیه بمب اتمیرا در صحرای نیومکزیکو در سال 1945 آزمایش کردند، انفجار و دمای تولید شده از آن،  شن و ماسه اطراف را به شیشه تبدیل کرد! اما خب خوشبختانه، راه‌های ساده‌تر و کم هزینه تری نیز برای ساخت شیشه وجود دارد. اما همه آن راه ها قطعا به انرژی گرمایی بالایی نیاز دارد.

 

در یک کارخانه شیشه سازی صنعتی، شن و ماسه با ضایعات شیشه (مواد بازیافتی)، خاکستر سودا (کربنات سدیم) و سنگ آهک (کربنات کلسیم) مخلوط شده و در یک کوره حرارت داده می شود. سودا نقطه ذوب را کاهش می دهد، که به صرفه جویی در انرژی در حین ساخت کمک می کند، اما یک عیب بزرگ به همراه دارد: باعث تولید شیشه ای می شود که در آب قابل حل است!  برای جلوگیری از این اتفاق آهک نیز به مواد اولیه اضافه می شود. محصول نهایی شیشه سودا – آهک – سیلیکا نام دارد. این همان شیشه معمولی است که می توانیم آن را در اطراف خود ببینیم.

 

 

بعد از ذوب شدن مواد اولیه، آن را در قالب می ریزند تا بطری‌، لیوان و ظروف دیگر بسازند. و یا مواد مذاب را به صورت شناور در یک حوضچه قلع مذاب می ریزند تا روی قلزع شناور مانده و به ورقه های شیشه‌ ای کاملاً مسطح و یکنواخت تبدیل شود که به آن شیشه فلوت می گویند. شیشه فلوت همان شیشه ای است که در درها و پنجره ها استفاده می شود.

 

برخی از ظروف شیشه ای با اشکال خاص، هنوز هم گاهی به روش “دمیدن” ساخته می شوند. (برای اطلاعات بیشتر می توانید مطلب شیشه بلویینگ یا دمیدنی را مطالعه کنید.) در این روش، یک توده از شیشه مذاب دور یک لوله پیچیده شده و به آرامی می چرخد. هوا از انتهای باز لوله درون ماده مذاب دمیده می شود و باعث می شود شیشه مانند بادکنک باد شود. با دمیدن و چرخاندن ماهرانه آن به صورت مداوم می توان انواع شکل ها و فرم های شیشه ای خاص و زیبا را ساخت.

 

 

اگر می خواهید با تکنیک استین گلاس که معرق شیشه محسوب می شود هم آشنا شوید، این مطلب را مطالعه کنید: استیند گلاس چیست؟

 

سازندگان شیشه بسته به نوع شیشه ای که می خواهند بسازند از فرآیندهای متفاوتی استفاده می کنند. معمولاً مواد شیمیایی دیگری برای تغییر ظاهر یا خواص شیشه به مواد اولیه اضافه می شود. به عنوان مثال، مواد شیمیایی مبتنی بر آهن و کروم به مواد مذاب اضافه می‌شوند تا شیشه‌های سبز رنگ بسازند. شیشه بوروسیلیکات (شیشه ای که ضد حرارت است و به عنوان ظروف پیرکس شناخته می شود) با افزودن اکسید بور به مخلوط مذاب ساخته می شود. افزودن اکسید سرب، یک شیشه کریستالی می سازد که می تواند راحت تر بریده شود و شفاف تر هم هست.

برخی از انواع دیگر شیشه با فرآیند تولید متفاوتی ساخته می شوند. شیشه ضد گلوله از کنار هم قرار دادن و چسباندن چند لایه شیشه و پلاستیک ساخته می شود. شیشه های مقاومی که در شیشه جلو اتومبیل استفاده می شود با خنک کردن شیشه مذاب با سرعت بسیار بالا ساخته می شود.

 

 

.

 

حالا بالاخره شیشه جامد است یا مایع؟

 

 

در تصویر بالا، یک ساختار کریستالی جامد منظم (سمت چپ) و یک ساختار نامنظم (سمت راست) نشان داده است. در یک جامد کریستالی منظم، اتم ها به روشی منظم و قابل پیش بینی مرتب شده اند. اما در یک جامد بی شکل، مانند شیشه، آرایش اتم ها بسیار تصادفی تر است.

 

خب بالاخره شیشه جامد است یا مایع؟ در واقع هر دو و هیچ کدام! نظرات متفاوتی در مورد نحوه ارجاع به موادی مانند شیشه وجود دارد که به نظر می رسد از برخی جهات کمی شبیه مایعات و در برخی دیگر کمی شبیه جامدات هستند.

 

در مدارس و در کتاب ها، ما تمایل داریم یاد بگیریم که جامدات همگی ساختار ثابتی از اتم ها دارند. در واقع، انواع مختلفی از جامدات وجود دارند که ساختارشان با هم متفاوت است. هر چیزی که ما به عنوان جامد توصیف می کنیم دقیقاً به یک شکل رفتار نمی کند. به یک توده آهن و یک توده لاستیک فکر کنید. کاملا واضح است که هر دو جامد هستند، و با این حال لاستیک بسیار متفاوت از آهن است. لاستیک و آهن دارای اتم‌ها و مولکول هایی هستند که به شکل متفاوتی در کنار یکدیگر قرار گرفته اند. آهن ساختاری منظم یا کریستالی دارد، در حالی که لاستیک یک پلیمر است (و از زنجیره‌های بلندی از مولکول‌هایی که به طور آزاد به هم متصل شده‌اند، تشکیل شده است).

 

جامدات آمورف

به شیشه برگردیم. با نگاه کردن از درون یک میکروسکوپ به یک شیشه، متوجه خواهید شد که مولکول هایی که از آن ساخته شده است به شکل نامنظمی چیده شده اند. به همین دلیل است که گاهی اوقات از شیشه به عنوان یک جامد بی شکل (جامد بدون ساختار کریستالی منظم) یاد می شود. همچنین ممکن است شیشه را ببینید که مانند یک مایع در دمای فوق سرد منجمد شده است. شیشه کمی شبیه مایع و کمی شبیه جامد است. ساختاری درونی دارد که جایی بین ساختار مایع و جامد است و مقداری از نظم یک جامد و مقداری از بی شکلی یک مایع را داراست.

 

شیشه به هیچ وجه تنها جامد آمورف نیست. می توان نوعی آب به نام یخ آمورف ساخت که می توان آن را بین جامد (آب) و مایع (یخ) توصیف کرد. این کار را با خنک کردن آب خیلی سریع می توان انجام داد. یخ به قدری سریع تشکیل می شود که زمانی برای ساختن ساختار معمولی و کریستالی خود ندارد. بنابراین چیزی که به دست می آورید شبیه یخ است، اما از جهاتی مانند آب مایع رفتار می کند. مواد دیگر نیز می توانند به جامدات آمورف تبدیل شوند.