蘇更林

1.玻璃是“固態(tài)的液體”

你也許認(rèn)為，玻璃有形，雖脆質(zhì)堅，應(yīng)當(dāng)是固體無疑。真是這樣嗎？

從宏觀上來看，玻璃的確能像固體一樣保持一定的外形；但從微觀上來看，它又不像晶體那樣有著規(guī)則有序的排列。因此，玻璃是一種既不是固態(tài)也不是液態(tài)的物質(zhì)狀態(tài)。在理論上通常把玻璃的這種狀態(tài)叫作“玻璃態(tài)”。

如何來理解這種“玻璃態(tài)”呢？有人形象地稱之為類似于“固態(tài)的液體”，即玻璃“短程有序”（少量原子有序排列）呈現(xiàn)晶體特征，“長程無序”（大量原子無序排列）則呈現(xiàn)液體特征。

有些材料在冷卻時會形成結(jié)晶，其原子會以高度規(guī)則的模式進(jìn)行排列，這就是晶格。到底是什么阻止了玻璃原子的有序排列？原來，玻璃在冷卻時由于原子的擁堵阻礙了規(guī)則晶格的形成，因此才有了隨機排列。一種通俗的解釋是，玻璃冷卻時的黏度隨溫度變化得太快，以至于結(jié)晶速度跟不上黏度變化的節(jié)拍，其結(jié)果就是玻璃已經(jīng)固化了可結(jié)晶還“在路上”。

2.大自然也能制造玻璃

其實，在玻璃發(fā)明之前，人類早就使用上天然玻璃了。所謂天然玻璃，指的就是大自然制造的玻璃。

大自然制造玻璃是有條件的。比如，黑曜石就是一種天然玻璃，由于生成于火山噴發(fā)之時，故被稱為“火山玻璃”。其形成過程為，花崗巖在火山爆發(fā)時被熔融再經(jīng)冷卻而未重結(jié)晶就形成了黑曜石。在石器時代，人們就已知道用黑曜石來打磨石器。

分布在火山地區(qū)的浮石也是一種天然玻璃，它是由火山活動形成的泡沫固化形成的，一般比重較小，內(nèi)有氣泡。

大自然的閃電也是制造天然玻璃的一大能量之源，當(dāng)它擊中沙子時巨大的熱能有時會將沙子熔化成玻璃，通常稱其為“閃電熔巖”。

3.中國特色的玻璃制造法

大約在公元前2500年，玻璃主要制造地在兩河流域和埃及等地。中國古代擁有璀璨的陶瓷文明，并對世界文明產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。不過，相較于世界上現(xiàn)存最早的玻璃制品，我國的玻璃制品要晚了許多年。

考古發(fā)現(xiàn)，我國在西周時期就能制造玻璃珠了，主要成分為鉛鋇硅酸鹽，玻璃不透明。到了戰(zhàn)國時期，就能采用模壓澆注法制造玻璃璧、玻璃耳珰以及玻璃珠等裝飾品了，并且具有紅、藍(lán)紫、深黃、乳白等多種顏色?，F(xiàn)收藏于湖北省博物館的越王勾踐劍，系春秋晚期越國的青銅器，其劍格正面鑲有兩塊小小的藍(lán)色玻璃，其主要成分為鉀鈣硅酸鹽。這種成分的玻璃在古埃及和古巴比倫地區(qū)是沒有的，可能是中國最早的玻璃。

關(guān)于中國玻璃的起源，有人認(rèn)為可能是在陶器上釉的過程中發(fā)明的。沾有砂粒和碳酸鈉的陶器坯，經(jīng)過高溫?zé)坪蟊砻鏁纬梢粚庸饣l(fā)亮的“釉”。這種“釉”實際上就是一種玻璃態(tài)物質(zhì)。基于“釉”的演化而發(fā)明的玻璃制造法，具有鮮明的中國特色。雖然古代中國玻璃制造發(fā)展較晚，但如今的中國已是名副其實的玻璃生產(chǎn)大國，并正在向世界“玻璃強國”邁進(jìn)。

4.彩色玻璃是如何煉成的

制造普通硅酸鹽玻璃的主要原料是石英砂，這是一種堅硬、耐磨、化學(xué)性能穩(wěn)定的硅酸鹽礦物，其主要成分是二氧化硅，是它構(gòu)成了玻璃主體部分的“網(wǎng)絡(luò)骨骼”。

由于石英砂的熔點很高（1750℃），古人通過添加助熔劑（如碳酸鈉）的方式來降低石英砂的熔制溫度。同時，還需要加入穩(wěn)定劑（如石灰石）等輔助原料，通過一定的工藝，才能制造出硅酸鹽玻璃。

關(guān)于玻璃的顏色，主要取決于其中的氧化物種類。比如，玻璃發(fā)綠是由于原料中含有少量鐵雜質(zhì)引起的。二價鐵的化合物使得玻璃顯綠色；加入二氧化錳（四價錳）可將二價鐵氧化為三價鐵，而使玻璃顯黃色；四價錳若被還原成三價錳，則使玻璃顯紫色。

根據(jù)同樣的道理，我們可以利用添加著色劑的方法來賦予玻璃特定的顏色。這些著色劑大多為金屬的氧化物。如氧化鈷能使玻璃呈現(xiàn)藍(lán)色，氧化鎳能使玻璃呈現(xiàn)棕色，氧化銅能使玻璃呈現(xiàn)綠色等。此外，通過調(diào)整熔煉的溫度以及爐焰的性質(zhì)也可以調(diào)節(jié)金屬元素的化合價，從而使玻璃呈現(xiàn)出不同的顏色。

5.玻璃可以吹“泡泡”

素有“固態(tài)的液體”之稱的玻璃，是不是也可以吹“泡泡”呢？是的。公元前一世紀(jì)，敘利亞人意外發(fā)現(xiàn)玻璃也可以吹“泡泡”。不過，這需要使用空心金屬管插入熔融的玻璃之中進(jìn)行吹制。

為什么玻璃也能吹“泡泡”呢？原來，熔融玻璃在冷卻過程中，其外層界面由于與空氣接觸而形成一層彈性表皮。這個彈性表皮如同一個“袋子”，其內(nèi)則是黏稠的液態(tài)玻璃。通過吹制工藝來控制“袋子”的形狀，其裝載的熔融玻璃就會按照“袋子”的形狀進(jìn)行定型。訓(xùn)練有素的玻璃吹制大師可以把自己的藝術(shù)構(gòu)思轉(zhuǎn)化為栩栩如生的玻璃藝術(shù)品，也可以吹制各種各樣的實用玻璃產(chǎn)品。因此，玻璃吹制技術(shù)是玻璃制造史上的一個里程碑事件。

吹制玻璃是一項極具挑戰(zhàn)性的工作，因為需要面對熔融玻璃的極高溫度，必須警惕安全方面的各項風(fēng)險。沒有經(jīng)過玻璃吹制訓(xùn)練的人，是難以勝任如此高風(fēng)險、高技藝工作的。事實上，世界各地都存在大體相同的玻璃吹制技術(shù)，活躍在這方面的玻璃吹制工也是一個非常特殊的群體。

6.玻璃可以100%回收利用

玻璃屬于一種化學(xué)惰性的材料，不僅對環(huán)境無害，而且壽命期長達(dá)100萬年。所以，玻璃具有100%可回收和無限期循環(huán)使用的屬性。

玻璃是最具可持續(xù)性的材料之一，有望成為塑料的替代品。在碳達(dá)峰、碳中和的背景下，做好廢玻璃的回收利用是構(gòu)建循環(huán)經(jīng)濟的重要一環(huán)，對于提升資源利用效率、減少溫室氣體排放具有重要的意義。每回收1噸廢玻璃，可以節(jié)約1噸以上的自然資源。在制造過程中，利用廢玻璃可以替代95%的原材料。每使用10%的廢玻璃，可使能源成本下降2%以上。每使用6噸廢玻璃，就能減少1噸的二氧化碳排放量。