玻璃的“七十二變”本領(lǐng)

文/陳福民

玻璃的“七十二變”本領(lǐng)

文/陳福民

玻璃，據(jù)說是沙灘上的石英砂與蘇打一起熔化燒煉出來的。石英砂是一種堅(jiān)硬、耐磨、化學(xué)性能穩(wěn)定的硅酸鹽礦物，用它制成的玻璃是透明、易碎的用品，可現(xiàn)在的玻璃有似鋼鐵堅(jiān)而不碎，有如橡膠伸縮彈性，又有的玻璃窗起空調(diào)作用使房間冬暖夏涼……玻璃怎能像孫悟空一樣有“七十二變”呢？

原來，玻璃的“七十二變”來自化工魔術(shù)師的幫助。

新型的安全玻璃

安全玻璃的發(fā)明來自一則車禍新聞。

1920年的一天，法國一份報(bào)紙上刊登了這樣一段新聞：一輛汽車在高速行駛時(shí)，方向盤突然失靈，撞到了路邊一根電線桿上，接著又翻到了路邊一條溝里。車上三名乘客慘遭不幸，兩名當(dāng)場身亡，一名身受重傷。

為什么這起車禍有三名乘客傷亡？報(bào)道還特地從中找出問題：不幸主要來自汽車玻璃。由于破碎的窗玻璃，有如尖刀刺進(jìn)身體，猶如犬牙交錯(cuò)而劃得乘客渾身血流不止。最后，報(bào)紙發(fā)出詰問：有沒有辦法給汽車車窗裝上不會碎成片的玻璃呢？這篇報(bào)道引起了法國化學(xué)家別涅迪克的注意。

這讓他想起了1903年深秋的一件事。那天，別涅迪克像往常一樣，正在和助手打掃他的小實(shí)驗(yàn)室。他讓助手爬上櫥頂去擦玻璃，忽然聽到一聲沉悶的碰撞聲，助手將一只燒瓶碰了下來。奇怪，怎么沒有清脆的碎裂聲！他跑過去一看，發(fā)現(xiàn)這只燒瓶竟然沒有跌碎。“這真是怪事！”他要找出玻璃瓶不碎的原因。

原來，這只長頸平底的薄玻璃燒瓶是用來盛放硝化纖維的乙醚熔液的，時(shí)間一久，乙醚揮發(fā)了，留下的硝化纖維就形成了一層膠膜，猶如一層皮一樣緊緊地貼附在燒瓶壁上。正是有了這層皮，玻璃燒瓶才避免了“粉身碎骨”。

超強(qiáng)“大猩猩玻璃”

這件趣事啟迪了那天的車禍報(bào)道要研制“不會碎成片的玻璃”的新靈感：在兩層玻璃中間夾一層透明的硝化纖維膜，讓它們粘合在一起，不就可以制成不會碎成片的安全玻璃了嗎？

碎不成片的安全玻璃

別涅迪克經(jīng)過兩年的努力，克服了一個(gè)又一個(gè)困難，終于研制成了一種新型的安全玻璃。今天被廣泛用在汽車的擋風(fēng)窗、飛機(jī)座艙窗、坦克潛望鏡，以及各種防彈汽車窗等，真是大出風(fēng)頭一番。

像橡膠似的玻璃

易碎的玻璃與柔韌的橡膠是兩種迥然不同的材料，而日本東京工業(yè)大學(xué)和橫濱朝日玻璃有限公司的科學(xué)家合作，開發(fā)出了一種新的氧化物玻璃，它能在高溫環(huán)境中如橡膠那樣伸縮。有人稱這種特殊玻璃為“橡膠玻璃”。

科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)，氧化物玻璃在軟、長、直鏈分子結(jié)構(gòu)方面與有機(jī)橡膠擁有相似的結(jié)構(gòu)特征。于是，他們根據(jù)不同氧化物對磷酸鹽玻璃結(jié)構(gòu)與性能的影響，向磷酸鹽玻璃中加入鋰、鈉、鉀和銫，制成了含有多種堿金屬離子的偏磷酸鹽玻璃。

混合堿偏磷酸鹽玻璃

當(dāng)進(jìn)行加熱和拉伸時(shí)，這種特殊玻璃在約220℃～250℃的環(huán)境下會出現(xiàn)伸縮彈性，這時(shí)玻璃本身就變得和橡膠一樣。在實(shí)驗(yàn)中，10毫米長的玻璃棒被延伸至20毫米后，能夠回復(fù)到12毫米長。如果是35%左右的延伸比例，則能夠恢復(fù)原有長度。但這種氧化物玻璃是各向同性的，在室溫環(huán)境中，這種玻璃又會變得既硬又脆，容易破碎，和普通玻璃是一樣的。

由于高溫環(huán)境中不能使用有機(jī)聚合物橡膠，而這種玻璃在高溫有氧環(huán)境中不會燃燒，所以這種玻璃有望在高溫、氧化環(huán)境中代替有機(jī)高分子橡膠得到應(yīng)用。如在高溫環(huán)境中，機(jī)械連接部分的縫隙可用這種玻璃材料填補(bǔ)，或?qū)⑦@種玻璃用作吸收沖擊的緩沖材料。

冬暖夏涼的玻璃

我國研發(fā)的低輻射（Low-E）玻璃

多年來，德國聯(lián)邦總統(tǒng)府的雇員們一直對于辦公大樓頂層的破舊百葉窗惱火不已，每逢夏天，他們就感覺自己像坐在溫室里辦公一樣。2011 年夏天，德國聯(lián)邦總統(tǒng)府終于換上了新的玻璃屋頂，即安裝了620 塊新型玻璃后，他們不再需要遮光物，只需按一下按鈕，這些玻璃自己就能變暗。

原來，德國聯(lián)邦總統(tǒng)府屋頂?shù)牟ＡВ且环N化學(xué)和電子學(xué)結(jié)合的雙層玻璃，它的內(nèi)壁蒸鍍了薄薄一層透明的氧化鎢。在兩層玻璃之間，是一層含有鋰離子的高分子膜。通電后，隨著鋰離子向鎢層移動，鎢層逐漸會被染成深藍(lán)色。大約15分鐘后，窗玻璃就會變暗。即使切斷電，玻璃仍會保持這一顏色，擋住外面近 90%的可見光。

變暗、擋光的窗玻璃自然好，它吸收了相當(dāng)一部分太陽能，但怎么解決普通玻璃窗冬天冰冷而夏天發(fā)燙的問題呢？國外研究人員開發(fā)出一種魔法玻璃窗，可以達(dá)到冬暖夏涼的效果。這種玻璃窗不需要消耗電能，就能為屋子升溫或降溫，可說是近年來低碳建材中的佼佼者。

它的奇特之處就在于表面涂抹了一種超薄層物質(zhì)二氧化釩和鎢的混合物。當(dāng)天氣寒冷的時(shí)候，二氧化釩能吸收紅外線，產(chǎn)生溫?zé)嵝?yīng)，從而提高室內(nèi)溫度；相反，窗外溫度過高時(shí)，兩種粘合在一起的物質(zhì)的分子發(fā)生相應(yīng)變化，反射紅外線，從而使室內(nèi)溫度變得涼爽。在這層神秘的涂層中，最有“智能”的核心就是其中所含的2%的鎢，它能決定二氧化釩到底是吸熱還是散熱。

而在國內(nèi)，也有廠商研發(fā)出一種低輻射鍍膜玻璃，簡稱低輻射玻璃或Low-E玻璃。這種不到頭發(fā)絲1%厚度的低輻射膜層對遠(yuǎn)紅外熱輻射的反射率很高，能將80%以上的遠(yuǎn)紅外熱輻射反射回去。冬季，它對室內(nèi)暖氣及室內(nèi)物體散發(fā)的熱輻射，可以像一面熱反射鏡一樣，將其絕大部分反射回室內(nèi)，保證室內(nèi)熱量不向室外散失，從而節(jié)約取暖費(fèi)用。夏季，它可以阻止室外地面、建筑物發(fā)出的熱輻射進(jìn)入室內(nèi)，節(jié)約空調(diào)制冷費(fèi)用。這種玻璃目前已在清華大學(xué)節(jié)能樓和五棵松籃球館等建筑上使用。

“穿”變色衣的玻璃

變色眼鏡是許多人熟悉的“穿變色衣”玻璃。戴上變色眼鏡在遇到陽光強(qiáng)烈時(shí)鏡片顏色會變深，反之就變淡了。鏡片玻璃會變色，是因?yàn)樗尤肓司哂懈泄庑缘柠u化銀（的混合物）作為感光劑，再加入極微量的敏化劑，以提高光色互變的靈敏度。敏化劑一般是砷、銻、錫、銅的氧化物，其中氧化銅效果最好。在照相底片上也涂有感光性的溴化銀，曝光后溴化銀分解，經(jīng)過顯影、定影，銀留下來了，而溴及未感光的溴化銀洗掉了，所以照相底片只能用一次，光化學(xué)反應(yīng)是不可逆的。而在變色玻璃中由于玻璃是固體，加上玻璃的不滲透性和惰性，分解后的銀原子和鹵素原子都留在原處。當(dāng)光照減弱時(shí)，在氧化銅等氧化物的催化下，銀原子和鹵素原子又重新結(jié)合成無色的鹵化銀分子，使玻璃顏色也變淺了。這就是“變色鏡”的變色原理。

美國加利福尼亞的一家玻璃公司，他們生產(chǎn)出一種新的可以變色的玻璃，在兩塊窗玻璃之間創(chuàng)建導(dǎo)電層以控制透過玻璃的光和熱的總量。這種玻璃就像百葉窗一樣能夠受人控制，在不同的時(shí)間吸收和反射合適的光線。

會變色的智能玻璃

這種玻璃的奧秘在于中間包有一層離子存儲層、一層電解液以及一層電致變色層的透明導(dǎo)電氧化物薄膜，這些都被夾在薄薄的兩層玻璃中間。

整個(gè)系統(tǒng)通過傳感器來控制，當(dāng)外面光線較強(qiáng)時(shí)，傳感器接收指令，低電壓被施加到導(dǎo)電的氧化層時(shí)，離子存儲層就會釋放出離子，離子穿過電解液到達(dá)導(dǎo)電氧化層，就會產(chǎn)生變色。這種接觸會引起變色材料變暗，從而使窗戶看起來有顏色。相反，當(dāng)外面光線較弱時(shí)，系統(tǒng)會施加反向電壓，使離子返回到存儲層，從而使窗戶顏色變亮，讓更多的陽光透進(jìn)來。這樣一來，窗戶就能自動調(diào)整光線的攝入。

因?yàn)檫@些材料的特殊性，在電場或電流的作用下，顏色會變深或變淺，對光的透射率和反射率都會產(chǎn)生相應(yīng)可逆的變化。人們就利用這些特殊的材料，制作一套“光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)”植入玻璃，使它實(shí)現(xiàn)智能變換的效果。

可代窗簾的玻璃

可調(diào)節(jié)透光率的智能玻璃

人們在安裝窗玻璃時(shí)，往往會面臨兩難選擇：是安裝普通透明玻璃好，還是有色玻璃（或者毛玻璃）好。普通透明玻璃可以讓室內(nèi)光線充沛，明亮燦爛，但是它也讓生活中的隱私暴露得一覽無余；裝有色玻璃（或者毛玻璃）吧，雖然讓你留夠了私人空間，但它卻有著不透光的缺陷。魚和熊掌不可兼得，人們往往無可奈何地選擇妥協(xié)：在窗玻璃后面拉上一道厚重的窗簾！

2014年，新加坡研究人員發(fā)明一款智能玻璃窗，可以在不需要電力的情況下變得不透光，或變得完全透明。用這種玻璃制作的窗戶在白天可以轉(zhuǎn)變成藍(lán)色，減少約50%的透光程度，在晚上則可以恢復(fù)透明狀態(tài)。

這種智能調(diào)光玻璃的改變也是化學(xué)效應(yīng)的結(jié)果，若電源被接上，其中一片玻璃所漆上的色素將與氧氣產(chǎn)生化學(xué)效應(yīng)，使玻璃的顏色變藍(lán)。相反的情況發(fā)生時(shí)，玻璃就會恢復(fù)無色透明的狀態(tài)。

科學(xué)家還告訴我們，這款智能玻璃窗其實(shí)相當(dāng)于一個(gè)可充電電池，所儲存的電能能夠使LED燈等低耗電量的電子產(chǎn)品發(fā)光。

而美國科學(xué)家正在研發(fā)的一種采用電控材料來調(diào)整透光率的玻璃：一塊亮晶晶的普通玻璃，經(jīng)過簡單的遙控調(diào)節(jié)，在剎那間就變成了不透明的毛玻璃。

這種玻璃的奧秘在于它是兩塊普通玻璃中間加了一層通電的液晶分子膜。當(dāng)沒有電流通過薄膜時(shí)，液晶分子在自由狀態(tài)下呈無規(guī)律排列，入射光被散射，玻璃變暗；當(dāng)通電施加磁場后，液晶分子呈垂直排列，允許入射光通過，玻璃便透明起來。也就是說，人們只需通過調(diào)整電壓的高低來調(diào)節(jié)玻璃的透光率，從而替代窗簾的開合。

能自潔凈的玻璃

每逢假節(jié)日來臨，不少人都為大掃除清潔玻璃窗而煩惱。尤其是高樓住宅上那大塊玻璃窗，請來清潔工清洗玻璃還要為她的安全而發(fā)愁。然而，科技帶來的恩惠，卻使我們把擦拭玻璃窗的不便與危險(xiǎn)都統(tǒng)統(tǒng)拋開了，因?yàn)槊绹茖W(xué)家們已研制出一種叫“蓮花”的特殊玻璃，它能夠借助自然界的力量自我清潔。

“蓮花”之所以能給玻璃自己“洗澡凈身”，就在于它是用一種特殊的技術(shù)，加入特殊的成分燒制而成的。一旦污垢附著到“蓮花”身上，它的表面就會在陽光的作用下產(chǎn)生具有強(qiáng)氧化能力的電子空穴對。緊接著，電子空穴對又與空氣中的氧氣和水分子相作用，產(chǎn)生負(fù)氧離子和氫氧自由基。在強(qiáng)烈的氧化還原反應(yīng)中，“蓮花”將附在其表面的各種有機(jī)物分解為水和二氧化碳。最后，“蓮花”又經(jīng)過雨水的洗禮，滌蕩掉從其表面脫落的剩余污垢，潔凈的外表再次熠熠生光。

自潔凈的玻璃效果比較

也許有人要擔(dān)心，由于強(qiáng)烈的氧化還原反應(yīng)不斷進(jìn)行，“蓮花”表面的特殊物質(zhì)是否會逐漸消失，到時(shí)候它是不是又變回普通的玻璃？為此，科研人員解釋說，這種特殊物質(zhì)在整個(gè)自我清潔過程中只起催化作用，本身不損失，“蓮花”披著的這層外衣永遠(yuǎn)也不會褪色。

滴水不沾的玻璃

剛剛說到了能自我清潔的玻璃“蓮花”，現(xiàn)在讓我們再來認(rèn)識一種像荷葉般不沾水的玻璃。

滴水不沾的玻璃效果比較

說起荷葉，我們可能都不會陌生。夏日里，它就像一支綠箭，筆直地挺出水面；它又像是一位曼妙的凌波仙子，隨著清風(fēng)起舞?？墒?，你有沒有注意到荷葉是滴水不沾的，凡是落到荷葉上的水珠都會順著它那光滑的葉面滑落下來，這就是人們常說的“荷葉效應(yīng)”。然而，這個(gè)效應(yīng)在和荷葉一樣光滑的玻璃身上卻行不通。普通玻璃上如果附有灰塵，當(dāng)水流過時(shí)，塵埃會吸附這些水珠，玻璃面就會沾滿水滴。這也是為什么下雨天玻璃窗模糊不清的原因。最近，人們終于發(fā)明了一種不沾水的玻璃，玻璃也終于能產(chǎn)生出“荷葉效應(yīng)”了。

神奇的不沾水玻璃和普通玻璃在構(gòu)造上并沒有太大區(qū)別，只是表面多了層高科技的納米涂層。你可別小看這層薄薄的納米涂料，它混合了納米二氧化硅、磷酸鈦化合物、氧化錫三種物質(zhì)，具有超親水、防靜電、防霧、防結(jié)露等特性。其中的超親水特性最令人不可思議，水會始終緊貼玻璃表面流動，遇到塵埃則會把塵埃也一起帶走，使得整個(gè)玻璃面滴水不沾。

這種玻璃的用途很廣，它給人們的日常生活帶來許多便利。比如說，司機(jī)朋友們就再也不用為下雨天發(fā)愁了，因?yàn)榧词管嚧巴獾挠暝俅?，雨水也會統(tǒng)統(tǒng)順著玻璃淌下，絲毫不妨礙人們前方的視線。可能等到不沾水玻璃上市的那一天，雨刷器就要被徹底淘汰了。

披上彩虹的玻璃

“赤橙黃綠青藍(lán)紫，誰持彩練當(dāng)空舞”。如今的玻璃有了“七十二變”本領(lǐng)，不再是透明的，而是像身披彩虹有了各種各樣的顏色。為什么呢？

原來，在紅色光和紫色光之外還有人眼所看不見的光線，即紅外線與紫外線。

警察用裝有紅綠色玻璃的信號燈指揮交通，攝影師在照相機(jī)上加了“黃鏡頭”攝得了層次豐富、頗有藝術(shù)感的風(fēng)景照。這一類能讓某些波長的光線通過而吸收掉另一些波長光線的玻璃，通稱為濾光玻璃。各種顏色玻璃都屬濾光玻璃，能透過各種可見光的無色玻璃也屬濾光玻璃。

少數(shù)化合物能吸收掉可見光中的某些波長，這些化合物稱為著色劑。濾光玻璃是在白玻璃中加入了著色劑而制成的。正是這些著色劑給玻璃染成了各種顏色。按照光吸收的機(jī)理，著色劑可分成離子著色、膠體著色和半導(dǎo)性著色三種類型。

許多過渡金屬離子和稀土金屬離子能作為離子著色劑。如亞鐵離子在近紅外區(qū)有一個(gè)很寬的吸收帶，因此人們就用亞鐵來制造透可見光而吸收紅外線的隔熱玻璃；二價(jià)鈷離子對黃色、紅色光有很強(qiáng)的吸收作用，因此，含微量鈷的玻璃常呈深藍(lán)色，它可以與鐵、鉻等離子一起來制造電焊護(hù)目鏡玻璃。

稀土鐵離子在玻璃中有一系列尖銳的吸收峰，且每個(gè)吸收峰又有固定的波長位置。這種玻璃常用來檢查分光光度計(jì)的波長刻度，使用十分方便。稀土鈰離子對紫外光有強(qiáng)烈的吸收作用，在有些眼鏡片玻璃中加入極少量鈰可以保護(hù)眼睛免受紫外光傷害。含鈰玻璃還有一個(gè)十分重要的特性，就是這種玻璃經(jīng)x射線、γ射線或者空間宇宙射線輻照后，玻璃依然保持透明，而不像其他玻璃那樣被染成棕褐色。因此，用含有少量鈰的光學(xué)玻璃制造的透鏡可以在空間衛(wèi)星、宇宙航行中或者核戰(zhàn)爭條件下使用。

金、銀等金屬在玻璃中分別表示紅色與黃色，俗稱“金紅”玻璃、“銀黃”玻璃。剛?cè)壑坪玫倪@種玻璃是淺色的，必須經(jīng)過500～600℃的熱處理，使玻璃中的金或銀聚集起來成為一定大小的膠體顆粒，才能顯現(xiàn)出紅色或黃色。這種著色機(jī)理稱為膠體著色。

摻有著色劑的彩色玻璃

我們?nèi)粘Ｋ姷纳珴甚r艷的黃、橙與紅色玻璃，幾乎都是由硫硒化鎘著色的，稱為“鎘黃”、“硒紅”玻璃。這種玻璃也要經(jīng)過適當(dāng)溫度的熱處理才能顯現(xiàn)出顏色。若測定這種玻璃的吸收光譜，可發(fā)現(xiàn)其透光特性很奇異，即小于某波長的光它幾乎能完全吸收，而大于此波長的光卻極大地透過。這種光吸收特性與典型的膠體著色玻璃很不相同。它是由于玻璃中所存在的硫硒化鎘晶體的半導(dǎo)體性質(zhì)所引起的。這種著色機(jī)理稱為半導(dǎo)性著色。屬于這類著色機(jī)理的還有含硫化銻的紅顏色玻璃，即所謂“銻紅”玻璃。

“半導(dǎo)性著色”啟示著科學(xué)工作者運(yùn)用新的半導(dǎo)體著色劑去合成新的濾光玻璃，發(fā)展玻璃新品種。正是在這種理論指導(dǎo)下，我國在20世紀(jì)60年代末首先研究成功了另外兩類用其他半導(dǎo)性化合物著色的新的近紅外濾光玻璃。這兩類玻璃可以把可見光極大地吸收掉而只讓近紅外光透過，可應(yīng)用在紅外探照燈上。它的原理是，讓一個(gè)燈泡照射目標(biāo)，再用一個(gè)接收儀來顯示被照目標(biāo)的圖像。這類玻璃還可應(yīng)用在其他的紅外光學(xué)裝置上，如紅外警戒儀、紅外通訊儀等等。

根據(jù)裝修的需要加不同著色劑的玻璃

有趣的是，有些半導(dǎo)性著色的玻璃卻有著“欺弱怕強(qiáng)”的習(xí)性。如硒化鎘著色的玻璃在通常情況下對694.3毫微米的光是顯現(xiàn)強(qiáng)吸收的，然而在很強(qiáng)的紅寶石激光（波長也是694.3毫微米）照射下，它卻突然變得透明。半導(dǎo)性著色玻璃的這種奇特的習(xí)性在激光調(diào)制技術(shù)上可有不少用途，科學(xué)工作者正在尋找一些具有這種奇特性質(zhì)的新的半導(dǎo)性著色玻璃。