История стекла: от амулетов до сверхпрочных экранов
Погружаемся в историю материала, сопровождающего человечество с древности, а заодно упрощающего и украшающего нам жизнь.
Освоение процесса производства стекла можно отнести к числу великих открытий, ведь это мастерство, как и добыча огня или изобретение колеса, в корне изменило жизнь человечества. Первое стекло было «изготовлено» самой природой: миллионы лет назад застывшая вулканическая лава образовала черный непрозрачный обсидиан.
Спустя много тысячелетий человечество само научилось стеклоделию, благодаря сочетанию механических и оптических свойств, а также химической и термической обработок, что делает стекло по-настоящему уникальным и неповторимым материалом.
Фото: Unsplash
Первые стеклянные изделия были изготовлены за 7 тысяч лет до нашей эры в Древнем Египте. Об этом свидетельствуют найденные стеклянные бусины и амулеты, которые делали в качестве украшений и предметов религиозного культа. Именно в это время человечеству открылся первый метод создания стекла – метод фриттования. Во время него раскаленные кусочки стекла окунали в холодную воду, растирали в пыль и вновь переплавляли.
Тогда производство стекла требовало двух печей: одна для привычной плавки, а другая для плавления фриттов, тех самых растертых в пыль кусочков стекла. Такой метод в последующем применялся на протяжении многих столетий.
Самые древние печи для изготовления стекла были сделаны из камней и глинозема. Внутри всегда приходилось поддерживать стабильно высокую рабочую температуру, которая варьировалась от 1200 до 1450 градусов. Однако для этого требовался большой запас дров, из-за чего возникали определенные трудности.
В качестве сырья для изготовления стекла использовали соду, золу различных растений и песок, а в качестве красителей – металлургические шлаки, например, соединения марганца, меди и кобальта. С помощью них стекло получалось с определенным оттенком.
Печи того времени были довольно низкими, а под их свод помещали глиняные емкости для плавки стекла. Из-за того, что топливом служили дрова, приходилось постоянно перемещать печь в новое место, когда на прежнем деревья полностью вырубались. По причине такой трудоемкости процесса стеклянные изделия имели в то время довольно высокую цену.
Уже на рубеже нашей эры появилась новая технология – выдувание стекла. Расцвет этого метода начался с Римской империи. Помимо этого римляне также усовершенствовали искусство изготовления рельефов на изделиях, что получалось благодаря добавлению дополнительного слоя эмали или стекла другого цвета.
Сама техника стеклодувов совершенствовалась, и спустя несколько веков выдуванием научились получать длинные цилиндры, которые в последующем выпрямляли до плоского состояния. Так началась эпоха изготовления листового стекла.
Первая идея изготовления листового стекла появилась у немецких стеклодувов, которые в XI веке решили выдувать полный цилиндр, обрезать его дно и раскатывать материал в тонкую прямоугольную форму. Безусловно, качество средневекового стекла было намного хуже современного, однако и по сей день для изготовления изделий применяются все те же вещества.
Позже, уже усвоив технику листового стекла, мастера начинают изготавливать первые витражи. Для создания витражей использовались кусочки цветного стекла, которые скреплялись при помощи металлических сплавов.
Фото: Unsplash
К концу периода Средневековья центром стеклодувного мастерства становится Венеция. Именно в тот период стекло начинают активно использовать в быту и художественных целях. На рубеже XII–XIII веков появляется Венецианское Муранское стекло, которое было изготовлено благодаря тесным связям Венеции с восточными странами.
Мастера Муранского стекла передавали свои секреты по его изготовлению от отца к сыну и получали массу привилегий. Однако как и мастера, так и венецианские правители были заинтересованы в сохранении своих секретов и старались не распространять их даже за пределы Венеции. Для сохранения такой секретности были предприняты решительные меры – все печи и мастерские были перенесены на остров Мурано, в честь которого стекло и получило свое название.
Помимо этого, венецианское правительство организовало тайную полицию, которая искала беглых стекловаров по всему миру и жестоко наказывала тех, кто распространял тайны Муранского стекла. Такое стекло до сих пор делается вручную, без использования каких-либо машин или технических сборок.
Блюдо Муранского стекла
Фото: Wikimedia Commons
Вскоре на смену знаменитому венецианскому стеклу пришел английский хрусталь, который изобрел Джордж Равенкрофт в 1674 году. Он стал использовать более совершенные исходные материалы: вместо поташа – оксид свинца, благодаря чему стекло получалось с безупречными светоотражающими свойствами. Помимо этого, хрусталь легко поддавался гравировке и обработке, из-за чего он очень быстро оказался вне конкуренции.
Промышленное производство стекла в больших масштабах началось только в конце XIX века. Основоположником такого автоматического производства стал немецкий ученый Отто Шотт (1851 – 1935). Другой значимой фигурой в изучении стекла стал Фридрих Симменс. Именно он изобрел печь, которая позволяла непрерывно производить большое количество стекломассы.
В конце этого же века американский инженер Майкл Оуэнс (1859 –1923) создал первую автоматическую машину по производству бутылок. Такое изобретение быстро завоевало популярность: к 1920 году уже работало более 200 машин подобного типа.
В 1905 году бельгиец Эмиль Фурко создал новый метод по изготовлению стекла. Он изобрел технологию вертикального вытягивания из печи стеклянного полотна постоянной ширины. В последующем другой Эмиль, также бельгиец – Эмиль Бишеруа, усовершенствовал этот метод, он предложил вытягивать стекло между двух полотен, что упрощало процесс дальнейшей обработки материала. Таким способом человечество познакомилось с новым способом изготовления оконного стекла.
Уже в Америке эта технология была усовершенствована, а в 1917 году фирма «Либбей – Оуэнс» начала использовать этот метод в коммерческом производстве.
Фото: Unsplash
Параллельно этому шло и создание автомобильных стекол, которые стремились сделать технологичными и безопасными. Так, в 1903 году идея создания многослойного стекла приходит изобретателю Эдуарду Бенедиктусу, а в 1909 году он получает патент на свое изобретение – триплекс. Однако в то время промышленники с трудом соглашались на установку подобных стекол из-за их дороговизны. Тем не менее, уже в 1923 году Генри Форд дает распоряжение об установке триплекса в качестве лобовых стекол своих автомобилей. К 30-м годам уже на всех автомобилях Форд стояло стекло триплекс.
В первых триплексных стеклах в прослойке использовалась целлюлоза, из-за чего стекло легко повреждалось и было довольно мутным. В конце 30-х целлюлоза заменяется полимерной пленкой.
В 1952 году происходит настоящий прорыв в изготовлении стекла. Алистер Пилкингтон изобрел революционную технологию флоат-процесс, которая работает по сей день. Во время этого процесса раскаленная лента стекла погружается в ванну с жидкостью, растекаясь по слою расплавленного олова. В результате получается высококачественное стекло с идеально ровной поверхностью.
Благодаря флоат-процессу закаленное стекло и триплекс, изготавливаемые из флоат-стекла, приобрели замечательные качества за которые их ценят сегодня. Автомобильные стекла сохранили свою главную защитную функцию, однако сейчас производители работают не только над функциональной составляющей, но и над эстетической.
Мысль конструкторов не стоит на месте, и новшества в стекольном производстве продолжаются. Например, изготовление бронестекла выделяется в особое производство. Такое стекло производится как из закаленного стекла, так и из ранее упомянутого триплекса.
Параллельно с автомобильными стеклами идет развитие и в области изготовления различных экранов и других стеклянных поверхностей для устройств – от ноутбуков и смартфонов до духовок и микроволновок, которые также совершенствуются в своей функциональности и прочности.
Подобные удароустойчивые стекла сейчас можно встретить не только в автомобилях, но и в экранах телефонов. Например, не так давно компания Huawei изготовила стекло Kunlun, для которого в течение 24 часов выращиваются нанокристаллы и используется более 108 микрокристаллических сырьевых материалов, а также проводится дополнительная обработка с использованием платины при 1600 °C. Благодаря этому стекло получается максимально устойчивым к ударным нагрузкам и растрескиванию. Для демонстрации прочности стекла компания уже разбивала им грецкие орехи на камеру.
Не менее любопытна и работа микроволновой печи, стекло которой даже при высокой температуре не нагревается и не раскалывается. Производится такое жаропрочное стекло из стандартных материалов, однако в смесь добавляют оксиды, например, бора или кремния. Именно их концентрация и влияет на огнеупорность материала.
Уверены, что многие также не раз задумывались про устройство иллюминатора в самолете. Дело в том, что иллюминатор представляет собой не просто стекло, а целый стеклопакет. Он состоит из нескольких слоев, между которыми имеется воздушное пространство.
Внутреннее стекло иллюминатора изготовлено из пластика, которое сохраняет тепло в салоне и удерживает другие слои. Также на этом стекле имеется маленькое отверстие, диаметром всего 0,5 мм. Благодаря ему давление за бортом самолета и внутри салона выравнивается. Не будь такого отверстия, стекла бы треснули.
Фото: Unsplash
В обычной жизни мы буквально каждый день сталкиваемся с тем или иным видом стекла, когда разогреваем себе обед в микроволновой печи, проводим часы перед экраном смартфона или проверяем погоду за окном.
Эти вещи стали для нас привычными, однако мало кто задумывался о том, как именно они устроены и какой путь прошли до того, чтобы обрести привычные нам свойства.