Portret
Einsteina
widziany przez najdoskonalszą (2004 r.) stworzoną przez człowieka kulkę. Jest ona wykonana ze szkła kwarcowego
[1]Szkło kwarcowe (szkło krzemionkowe) –
szkło
o bardzo wysokiej zawartości czystego
ditlenku krzemu
(w zależności od formy nazywanego również
kwarcem
lub
krzemionką
). Szkło kwarcowe różni się od
krystalicznego
kwarcu brakiem
uporządkowania dalekiego zasięgu
. Jest jednak materiałem o względnie niewielkiej zawartości
fazy amorficznej
w stosunku do
fazy krystalicznej
, czym różni się od
krzemionki topionej
, która zawiera prawie wyłącznie fazę amorficzną.
Wytwarzanie
Szkło kwarcowe jest wytwarzane kilkoma różnymi metodami. Jedną z nich jest stopienie kryształów kwarcu o wysokiej czystości w temperaturze ok. 2000°C w piecu elektrycznym lub płomieniowym. Jakość i właściwości otrzymanego szkła istotnie zależą od szybkości i warunków późniejszego chłodzenia stopionego materiału. Szkło kwarcowe powstaje w wyniku powolnego chłodzenia stopionego materiału (w odróżnieniu od całkowicie
amorficznej
krzemionki topionej
, która powstaje z identycznego materiału przy bardzo szybkim ochłodzeniu).
Szkło kwarcowe można również otrzymać, topiąc w piecu drobnoziarnisty piasek kwarcowy o wysokiej czystości – pozostające w szkle mikroskopijne bąbelki powietrza wpływają na jego zabarwienie (efekt
opalizacji
).
Najwyższej jakości szkło kwarcowe, nazywane syntetycznym, otrzymywane jest w drodze
reakcji chemicznych
, np. w wyniku
hydrolizy
lub
termolizy
związków zawierających
krzem
,
utleniania
krzemu do postaci gazowego
ditlenku krzemu
i stopienia jego osadu w
próżniowym
piecu elektrycznym w celu utworzenia szkła niezawierającego pęcherzyków gazu.
Własności chemiczne
Szkło kwarcowe charakteryzuje się niską odpornością na działanie
alkaliów
(niższą niż inne gatunki szkła używane w laboratoriach chemicznych) oraz wysoką odpornością na działanie wody oraz silnych
kwasów
. Nie jest odporne na działanie gorącego
kwasu fosforowego
,
fluorowodoru
,
kwasu fluorowodorowego
i soli
fluoru
.
Własności fizyczne
Szkło kwarcowe ma relatywnie niski
współczynnik rozszerzalności cieplnej
, w związku z czym jest odporne (w porównaniu z innymi gatunkami szkła) na szok termiczny oraz różnice
temperatur
powstające np. przy ogrzewaniu zawartości naczynia płomieniem
palnika
.
Gęstość szkła kwarcowego wynosi ok. 2203
kg
/
m
3,
współczynnik załamania światła
zaś ok. 1,459[2]. Dokładniejsze wartości współczynnika załamania w zależności od długości fali, czyli tzw.
dyspersję
można obliczyć z
równania Sellmeiera
:
gdzie
gdzie długość fali, λ, jest wyrażona w
mikrometrach
. Współczynniki równania zostały podane w 1965 przez Malitsona dla zakresu długości fal od 0,21 do 3,71
μm
[3].
Szkło kwarcowe, w porównaniu z innymi gatunkami szkła, wyróżnia się niską
absorpcją
promieniowania elektromagnetycznego
w zakresie długości fal od 200
nm
do ok. 2,5
μm
, a zatem od
ultrafioletu
, poprzez światło widzialne, aż do
bliskiej podczerwieni
.
Szczegółowe własności optyczne związane z
widmem absorpcyjnym
(a także zawartością mikroskopijnych pęcherzyków gazu wpływającym na rozpraszanie światła) istotnie zależą od sposobu produkcji i obecności zanieczyszczeń. W związku z tym producenci wysokiej klasy szkła kwarcowego dzielą je na gatunki i podają specyfikacje tych własności[4][5], przy czym w nomenklaturze producentów nie podkreśla się podziału na krzemionkę topioną i szkło kwarcowe.
Zastosowania
Ze względu na zakres przepuszczanych długości fal światła szkło kwarcowe, podobnie jak topiona krzemionka, jest jednym z podstawowych materiałów optycznych używanych w
spektroskopii
i
fotometrii
. Istnieją wprawdzie materiały o większym zakresie przepuszczanych długości fal, np.
fluorek litu
LiF (od 120
nm
do 9
μm
),
chlorek sodu
NaCl (w podczerwieni do 25
μm
),
bromek potasu
KBr (do 40
μm
) jednak substancje te są nieodporne na
wilgoć
, łatwo ulegają zarysowaniom i w związku z tym wymagają specjalnego traktowania.
Szkło kwarcowe jest stosowane w zastępstwie zwykłego szkła wszędzie tam, gdzie istotne jest przepuszczanie
ultrafioletu
, a zatem w osłonach
lamp spektralnych
,
jarznikach
wysokociśnieniowych
lamp rtęciowych
, naświetlarkach
UV
(m.in. w
fotolitografii
) i innych promiennikach ultrafioletu (m.in. w
solariach
).
Używa się go również do wyrobu naczyń używanych w laboratoriach chemicznych.
Ze względu na wysoką przezroczystość i okna (przedziały długości fali) o bardzo niskiej
dyspersji
szkło kwarcowe jest również używane do wyrobu rdzeni
światłowodów telekomunikacyjnych
, zwłaszcza
jednomodowych
.
Szkło kwarcowe bywa również wykorzystywane do wykonywania precyzyjnych elementów mechanicznych. Przykładem są cztery wykonane ze szkła kwarcowego
kulki
[1] uchodzące za najdoskonalsze elementy kuliste wykonane przez człowieka. Stanowią one element najczulszych na świecie (wg danych z roku 2004)
żyroskopów
, służących do badania zakrzywienia
czasoprzestrzeni
przez
grawitację
[1].
Zobacz też
Przypisy