institute of metal research, chinese academy of sciences

Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences

第二届金属所原创科普作品大赛

神奇的玻璃

研究生部 10 硕吴堂清殷强

一、玻璃是什么？ 1. 玻璃是一种非晶形过冷液体，是熔体迅速冷却时，各分子因为没有足够时间形成晶体而形成的非晶体。

2. 中国古代称玻璃为琉璃，是一种透明的、强度及硬度颇高的、易碎的、不透气的物料，常温下是固体。

3. 玻璃一般不溶于酸（例外：氢氟酸与玻璃反应生成SiF4 ，从而导致玻璃的腐蚀），但溶于强碱，例如氢氧化铯。


二、玻璃是怎样发现的？自然界中玻璃最初由火山喷出的酸性岩凝固而得，但人类所认识的第一块玻璃却是人们在做饭时偶然合成和发现的！

3000多年前，一艘欧洲腓尼基人的商船，满载着晶体矿物“天然苏打”，航行在地中海沿岸的贝鲁斯河上。由于海水落潮，商船搁浅了。

于是船员们纷纷登上沙滩。有的船员还抬来大锅，搬来木柴，并用几块“天然苏打”作为大锅的支架，在沙滩上做起饭来。船员们吃完饭，潮水开始上涨了。他们正准备收拾一下登船继续航行时，突然有人高喊：“大家快来看啊，锅下面的沙地上有一些晶莹明亮、闪闪发光的东西！” 船员们把这些闪烁光芒的东西，带到船上仔细研究起来。他们发现，这些亮晶晶的东西上粘有一些石英砂和融化的天然苏打。原来，这些闪光的东西，是他们做饭时用来做锅的支架的天然苏打，在火焰的作用下，与沙滩上的石英砂发生化学反应而产生的非晶体，这就是最早的玻璃。

后来腓尼基人把石英砂和天然苏打和在一起，然后用一种特制的炉子熔化，制成玻璃球，使腓尼基人发了一笔大财。


三、神奇的玻璃

生活中我们常见的是普通平板玻璃，主要用于画框表面、外墙窗户、门扇、室内屏风等处，起着透光、挡风和保温作用。要求无色，并具有较好的透明度和表面光滑平整，无缺陷。下面我们介绍几种特殊的玻璃！


3.1 有色玻璃

有色玻璃是在普通玻璃制造过程中加入一些金属氧化物制成的具有特定颜色的玻璃。

例如： Cu2O—— 红色； CuO—— 蓝绿色； CdO—— 浅黄色； Co2O3—— 蓝色； Ni2O3—— 墨绿色； MnO2—— 紫色；胶体 Au—— 红色；胶体 Ag—— 黄色


3.2 压花玻璃

压花玻璃又称花纹玻璃和滚花玻璃，是采用压延方法制造的一种平板玻璃。

其最大的特点是透光不透明，多使用于门窗、室内间隔、洗手间等装修区域。压花玻璃表面有花纹图案，又具有优良的装饰效果，有时甚至可以作为艺术玻璃而身价倍增。


3.3 中空玻璃

中空玻璃是由两层或两层以上普通平板玻璃所构成。四周用高强度高气密性复合粘结剂，将两片或多片玻璃与密封条、玻璃条粘接密封，中间充入干燥气体，框内充以干燥剂，以保证玻璃片间空气的干燥度。

因留有一定的空腔，中空玻璃具有良好的保温、隔热、隔音等性能。主要用于采暖、空调、消声设施的外层玻璃装饰。


3.4 高级银镜玻璃


高级银镜玻璃是采用现代先进制镜技术，选择特级浮法玻璃为原片，经敏化、镀银，镀铜、涂保护漆等一系列工序制成的。其特点是成像纯正、反射率高、色泽还原度好，影像亮丽自然，即使在潮湿环境中也经久耐用，是铝镜的换代产品，广泛应用于家具，工艺品，装饰装修，浴室镜子，化装镜子，光学镜子，以及汽车后视镜等。

3.5 防护玻璃

防护玻璃是指在普通玻璃制造过程加入适当辅助料，具有防止强光、强热或辐射线透过而保护人身安全功能的玻璃。主要应用于医院 X光室和航天器上。

例如，重铬酸盐、氧化铁——吸收紫外线、红外线和部分可见光；氧化镍、氧化亚铁——吸收红外线和部分可见光；氧化铅——吸收 X 射线和 r 射线；氧化镉和氧化硼——吸收中子流。


3.6 钢化玻璃

钢化玻璃又称强化玻璃，它是普通平板玻璃经过加热到一定温度后迅速冷却或进行特殊化学处理而加工成的一种预应力玻璃。

钢化玻璃耐酸、耐碱。主要用于门窗、间隔墙和橱柜门。


钢化玻璃相对于普通平板玻璃来说，具有两大特征：

1.前者强度是后者的数倍，抗拉强度和抗弯曲强度是后者的 3 倍以上，抗冲击强度是后者 5 倍以上。　　

2.前者安全性能好，钢化玻璃不容易破碎，即使破碎也会在均匀内应力的作用下以无锐角的颗粒形式碎裂，形成网状裂纹，对人体伤害大大降低。


3.7 夹丝玻璃夹丝玻璃又称防碎玻璃，它是将普通平板玻璃加热到红热软化状态时，再将预热处理过的铁丝或铁丝网压入玻璃中间而制成的一种具有抗冲击性能的平板玻璃。

特性是防火性优越，可遮挡火焰，高温燃烧时不炸裂，破碎时不会造成碎片伤人。受撞击时也只会形成辐射状裂纹而不至于堕下伤人。另外还有防盗性能，玻璃割破还有铁丝网阻挡。主要用于屋顶天窗、阳台窗、高层楼宇和震荡性强的厂房。


3.8 夹层玻璃夹层玻璃是安全玻璃的一种。它是在两片或多片平板玻璃(也可以是钢化玻璃或其他特殊玻璃 )之间，嵌夹透明塑料薄片，再经热压粘合而成的平面或弯曲的复合玻璃制品。

主要特性是安全性好，破碎时，玻璃碎片仍粘附在胶层上不零落飞散，只能产生辐射状裂纹，避免了碎片飞溅对人体的伤害。抗冲击强度优于普通平板玻璃，防范性好。并有耐光、耐热、耐湿、耐寒、隔音等特殊功能。多用于与室外接壤的门窗和有安全要求的装修项目。


防弹玻璃防弹玻璃实际上就是夹层玻璃的一种，只是构成的玻璃多采用强度较高的钢化玻璃，而且夹层的数量也相对较多。多用于银行或者豪宅等对安全要求非常高的装修工程之中。


3.9 艺术玻璃艺术玻璃是指艺术家和设计师运用烧熔、雕刻、压花、镶嵌和喷雕等方法在玻璃上进行艺术创作而形成的艺术品。

根据艺术品的维度可将其分为平面艺术玻璃和立体艺术玻璃。


平面艺术玻璃立体艺术玻璃


镶嵌玻璃

近半个世纪以来，玻璃艺术设计以前所未有的深度和广度渗透到人们的生活中，在造型上同时运用不同种类的玻璃及制作工艺的手法大大超过玻璃发展史上的任何时候，在艺术设计领域大放异彩。

一块普通玻璃经高科技加工，制作成为艺术玻璃后，身价倍翻！玻璃艺术品画面绚丽不失清雅，生动不失精致，超凡脱俗，美轮美奂！

雕刻玻璃

四、发展中的玻璃从最初珍稀的佩戴饰品到昂贵的宫廷贡品再到普通的生活用具，玻璃的身价几番起伏，但它一直陪伴着人类走过了上千年的历史长路。

进入新世纪，它在我们的生活中再次闪亮，各种各“样的智能玻璃”的出现使它又一次成为人们关注的焦点。

这正是未来玻璃的发展方向。


一、冬暖夏凉的玻璃

二、能自我清洁的玻璃

三、不沾水的玻璃

四、可代替窗帘的玻璃

4.1 冬暖夏凉的玻璃

我们总有这样的体验：

夏天，炎炎烈日，灼热强光让房间里像蒸笼；

冬天，凛凛严寒，令人感到室内阴寒无比；

空调的出现，实现了冬暖夏凉，可是它会造成高空臭氧层的破坏，造成环境污染；还会给现代都市本来就稀缺的电力资源再添重负，电力危机的红色警报在人们的耳边尖锐地响起！

能否发明出一种既让人们生活得温暖舒适，又不破坏环境、节约能源的新产品呢？


科学家们带来了好消息：英国科学家发明出一种能起着空调作用的玻璃，它能平衡温度，让人在室内感到冬暖夏凉。

这种玻璃为何有如此神奇的功力？

原因在于其表面涂抹了一种超薄层物质——二氧化钒和钨的混合物。

当天气寒冷的时候，二氧化钒能吸收红外线，产生温热效应，从而提高室内温度；

相反，窗外温度过高时，两种粘合在一起的物质的分子发生相应变化，反射红外线，从而使室内温度变得凉爽。

在这层神秘的涂层中，最有“智能”的核心就是其中所含的 2 ％的钨，它能决定二氧化钒到底是吸热还是散热。


说到这，也许你将要为这种神奇的玻璃心驰神往了吧，可是“ ”它现在仍有一些技术缺陷，在它的表面有一层看似肮脏的

黄棕色薄层，严重影响了其美观。如何中和这种颜色，让它变得洁净，是摆在人们面前的一个难题。这需要我们共同的努力！


4.2 能自我清洁的玻璃你一定知道东西用久了都会沾染上灰尘，纵然是表明光滑的玻璃也不例外，天长日久，它也需要人们为之清洁。

你一定见过高层建筑上清洁外墙玻璃的空中“蜘蛛人”，高空作业，危险异常！

这些清洁工作要么烦琐要么危险，都是一些麻烦的苦差事。

能否发明出一种能实现自我清洁的新产品，让我们可以把擦拭玻璃窗的不便与危险都统统抛开了呢？


科学家也在努力：美国科学家们已研制出一种叫“莲花”的特殊玻璃，它能够借助自然界的力量自我清洁。

“ ” “ ”莲花为什么能给自己洗澡净身呢？

其原因就在于它是用一种特殊的技术，加入特殊的成分烧制而成的。

一旦污垢附着到“莲花”身上，它的表面就会在阳光的作用下产生具有强氧化能力的电子空穴对。紧接着，电子空穴对又与空气中的氧气和水分子相作用，产生负氧离子和氢氧自由基。在强烈的氧化还原反应中，“莲花”将附在其表面的各种有机物分解为水和二氧化碳。最后，“莲花”又经过雨水的洗礼，涤荡掉从其表面脱落的剩余污垢，洁净的外表再次熠熠生光。

由于这种特殊物质在整个自我清洁过程中只起催化作用，本“ ” 身不损失，莲花披着的这层外衣永远也不会褪色。


4.3 不沾水的玻璃说起荷叶，我们可能都不会陌生。可是，你有没有注意到荷叶是滴水不沾的，凡是落到荷叶上的水珠都会顺着它那光滑的叶面滑落下来，这就是人们常说的“荷叶效应”。

然而，这个效应在和荷叶一样光滑的玻璃身上却行不通。普通玻璃上如果附有灰尘，当水流过时，尘埃会吸附这些水珠，玻璃面就会沾满水滴。这也是为什么下雨天玻璃窗模糊不清的原因。

最近，人们终于发明了一种不沾水的玻璃，玻璃也终于能产生出“荷叶效应”了。

不沾水玻璃表面多了层高科技的纳米涂层，它是纳米二氧化硅、磷酸钛化合物、氧化锡的混合物，具有超亲水、防静电、防雾、防结露等特性。它的超亲水特性使水始终紧贴玻璃表面流动，遇到尘埃则会把尘埃也一起带走，使得整个玻璃面滴水不沾。　


这种玻璃的用途很广，它给人们的日常生活带来许多便利。例如：汽车、房屋外墙、锅盖、眼镜等。


4.4 可代替窗帘的玻璃

在为卧室安装玻璃时，我们面临着这样的选择：

普通玻璃：可以让室内光线充沛，阳光灿烂，但是它也让你的生活中的隐私暴露得一览无余；

有色玻璃（或者毛玻璃）：虽然让你留够了私人空间，但它却有着不透光的缺陷。

最终，人们往往无可奈何地选择妥协：在窗玻璃后面拉上一道厚重的窗帘！


也许不久后，这个让你头疼的问题将不复存在！

美国科学家正在研发的一种采用电控材料来调整透光率的玻璃会使这个难题迎刃而解。

最近的一次展览会上，科学家为我们展示了这种新型玻璃的“ ”人文关怀：一块亮晶晶的普通玻璃，经过简单的遥控调节，在刹那间就变成了不透明的毛玻璃。

这种玻璃为什么可以从透明变得不透明呢？

奥秘在于这种玻璃是两块普通玻璃中间加了层通电的液晶分子膜。

当没有电流通过薄膜时，液晶分子在自由状态下呈无规律排列，入射光被散射，玻璃变暗；当通电施加磁场后，液晶分子呈垂直排列，允许入射光通过，玻璃便透明起来。

也就是说，人们只需通过调整电压的高低来调节玻璃的透光率，从而替代窗帘的开合。


结语


玻璃经历几千年的发展，从最初腓尼基人发现的“晶莹明亮、闪闪发光的东西”到古埃及人制出的简单玻璃器皿，再到珍稀的佩戴饰品和昂贵的宫廷贡品，直到现在的普通生活用具、科学技术领域的重要材料和珍贵的艺术精品，还那些具有“灵气的智能玻璃”，其种类和数量呈现了指数式的增长，其质量发生了翻天覆地的变化。玻璃的发展历程体现的是人们对更加便利生活的渴望，延伸的是人们无穷的智慧和非凡的才能。而聪明的读者，你是不是从这些“神奇玻璃”中获得什么启发呢？也许有一天，在你手里，一块更加智能化更加神奇的玻璃将诞生！

参考与致谢


谢谢！

中国科学院金属研究所

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辽宁省沈阳市沈河区文化路 72号　 110016

本科普 PPT 是在百度百科（ www.baidu.com ）相关内容的基础上经过自己的思考和加工而成！主要内容和大部分图片也来自网络，金属所 10硕 2班的部分同学提出了很多中肯的意见和建议，在此对相关网络、作者和同学们深表感谢！

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