Най-важният материал на човечеството

Стъклото е променило света като никой друг материал, но хората обикновено го пренебрегват. Без стъкло светът би бил неузнаваем. То е в очилата на лицето ви, лампите в стаята ви и прозорците, които ви позволяват да виждате навън. Но въпреки, че е вездесъщо, в научноизследователската общност все още има дебат за това как да се дефинира „стъкло“. Някои са склонни да подчертават качествата му на твърдо тяло, а други го разглеждат като течност. Въпросите без отговори изобилстват, като например: кое прави един вид стъкло по-здрав от друг или защо някои смеси произвеждат стъкла с уникални оптични или структурни свойства. Добавете към това почти неограничения брой видове стъкло – една база данни съдържа над 350 000 вида стъкло, но по принцип броят на смесите е неограничен. Открива се изненадващо голямо и активно поле на изследване, което редовно произвежда удивителни нови продукти. Стъклото е оформяло света повече от всяко друго вещество и в много отношения то е определящият материал на човешката ера.

„Правим стъкло в продължение на хиляди години и все още нямаме добра представа какво е това“, казва Матю Баучи, експерт по стъкла и изследовател на материали в UCLA. Повечето стъкла се правят чрез нагряване и след това бързо охлаждане на смес от съставки. При плоското стъкло, от което правят прозорците, тази смес може да включва пясък (силициев диоксид), вар и сода. Силицият осигурява прозрачност, калцият осигурява твърдостта, а содата понижава точката на топене. Процесът на бързо охлаждане не позволява на атомите да образуват нормална решетка, обяснява Стив Мартин, учен от щатския университет в Айова.

Това обяснява защо стъклото не е нито кристално твърдо вещество, нито течност, а по-скоро атомно неподредено (или аморфно) твърдо вещество. Атомите вътре искат да приемат кристална структура, но обикновено не могат, защото са замръзнали на място. Може да сте чували, че прозорците на катедралите се стичат през вековете, затова някои от тях са по-дебели в долната част. Това не е вярно: Тези прозорци са направени по този начин, поради производствената техника, която включва въртене на разтопеното стъкло, което създава неравномерни слоеве. Но стъклото наистина се движи; то просто го прави много бавно. Проучване, публикувано миналата година в списанието на Американското керамично дружество, изчислява, че на стъклото в катедралата при стайна температура ще му трябват повече от 1 милиард години, за да изтече един нанометър .

Въпреки, че естествените вулканични стъкла като обсидиана са превръщани в инструменти в началото на човешката история, стъклото вероятно е било произведено първо в Месопотамия преди повече от 4000 години. Вероятно е открито при производството на керамични глазури. Техниката скоро се разпространява в древен Египет и първите стъклени предмети са мъниста, амулети и пръчки, често оцветени с минерали, за да изглеждат като други материали.

Още в началото на второто хилядолетие пр.н.е., занаятчиите започнали да правят малки стъклени съдове като вази. Археолозите са открили плочки с надписи, които описват рецептата за материала, но те са записани със шифър, предназначен да скрие търговските тайни.

Първото голямо нововъведение идва в първи век пр.н.е., когато е измислено духането на стъкло около Ерусалим. Скоро римляните разбрали как да правят стъклото относително прозрачно и се появяват първите стъклени прозорци. Това е важна промяна; преди това материалът бил ценен главно заради цвета и декоративните си свойства. Вместо да гледат стъклото, хората вече можели да погледнат през него. В рамките на няколко века римляните започнали да произвеждат стъкло в промишлен мащаб и в крайна сметка го разпространили в Евразия. По това време науката не обяснявала свойствата на стъклото и то се смятало за нещо магическо. Например, в Рим през четвърти век била направена чашата Lycurgus, която изглеждала нефритено зелена, когато е осветена отпред, и кърваво червена, когато е осветена отзад. Изследванията показват, че невероятните ѝ свойства се дължат на наличието на сребърни и златни наночастици в стъклото, които променят цвета си в зависимост от местоположението на наблюдателя.

По време на Средновековието тайните на стъкларството остават живи в Европа и арабския свят. През късното Средновековие европейците произвеждали витражи. Тези великолепни картини от стъкло в църквите на Западна Европа, играят огромна роля в преподаването на светото писание на масово неграмотното население. Не е чудно, че витражите са наричани „Библията на бедните“.

Въпреки че прозорците съществуват още от римско време, те си остават скъпи и трудно достъпни. Това започва да се променя след построяването на „Кристал Палас“ за Световното изложение през 1851 г. в Лондон. Огромната сграда, когато е завършена, съдържа почти 1 милион квадратни метра стъкло. (Това е четири пъти повече от остъкляването в сградата на ООН в Ню Йорк, издигната век по-късно.) Кристал Палас показва на хората красотата на прозорците и има важно влияние върху архитектурата и вкусовете на потребителите. Кристал Палас изгаря до основи през 1936 г., но прозорците стават много по-достъпни няколко години по-късно, когато британската компания Pilkington изобретява техниката на флоатното стъкло, прост начин за създаване на равни плоскости от стъкло, чрез изливането му върху разтопен калай.

Много преди прозорците да станат масово явление, неизвестни изобретатели в Северна Италия създават първите очила в края на 13 век. Изобретението спомага за разпространението на грамотността и проправя пътя за по-съвършени лещи, което би позволило на хората да виждат невероятни неща. Някъде около 1400 г., венецианците усъвършенстват процеса и създават „кристало“ – много чисто стъкло, заемайки техники, разработени в Близкия изток и Мала Азия.

Венецианците създават и първите огледала, изработени от стъкло, което променя света по неочакван начин. Преди това огледалата са били от полиран метал или обсидиан, но те били скъпи и не отразявали добре. Изобретението подготвя пътя за телескопите и прави революция в изкуството, като позволява на италианския художник Филипо Брунелески да открие линейната перспектива през 1425 година. Огледалата променят и усещането на хората за себе си. Писателят Иън Мортимър даже смята, че преди появата на стъклените огледала, които позволяват на хората да се видят като уникални и отделни от другите същества, концепцията за индивидуалната идентичност не е съществувала.

Освен да отразява, стъклото може и да увеличава. Около 1590 г. бащата и синът Ханс и Захариас Янсен изобретяват микроскоп с лещи на двата края на тръба и деветкратно увеличение. Холандецът Антъни ван Льовенхук прави скок напред, като създава устройство, което увеличава изображенията до 270 пъти.

Днес влиянието на стъклото не показва никакви признаци на отслабване. Гледайки към бъдещето, изследователите се надяват да направят пробиви с подобен отзвук, използвайки стъкло, за да свържат ядрените отпадъци, да направят по-безопасни батерии и по-съвършени биомедицински импланти. Инженерите също се опитват да създават сложни сензорни екрани, самозатварящи се прозорци и наистина нечупливо стъкло.