Стекло — материал один из самых древних и, благодаря разнообразию своих свойств, — универсальный в практике человека. Стекло получают быстрым охлаждением вязкого расплавленного материала. Когда точно люди научились получать стекла точно неизвестно, а вот природные стекла появились с первыми вулканами, то есть миллиарды лет назад. Природные стекла — это застывшая лава, остывшая со скоростью, достаточной для предотвращения кристаллизации компонентов расплава. Например, обсидианы являются вулканическим стеклом и бывают черного, серого, желтого, коричневого или красного цвета. Цвет стекол зависит исключительно от добавок. Если бы охлаждение и затвердевание расплавленной массы протекало достаточно медленно, образовалась бы горная порода, состоящая главным образом из кварца, полевого шпата и слюды. Все виды стёкол при формировании преобразуются от чрезвычайной вязкой жидкого до стеклообразного, а затем аморфного твердого состояния. Температура варки стёкол, от 300 до 2500 °C, определяется компонентами стеклообразующих расплавов (силикатами, боратами, фосфатами и др.) [1, 2].
Актуальность. Получить легкоплавкие стекла в лаборатории можно, если взять в необходимых соотношениях окись свинца (PbO), как основной компонент, оксид бора или борную кислоту (B2O3 или H3BO3) и кварц SiO2. В зависимости от пропорций, температура размягчения может изменяться от минимальной 484 °С до максимальной 714 °С. Образец для исследования размером 35×35 мкм. Получение таких стекол позволит использовать приборы в агрессивных средах и при различного рода внешних воздействиях. Все это должно способствовать повышению надежности и долговечности эксплуатации различных приборов, в которых применяют легкоплавкие стекла. Поэтому тема, на наш взгляд, очень актуальна.
Задачи:
- Научиться получать чистые бор-силикатные стекла в лабораторных условия.
- Изменять процентный состав смеси, включить в состав оксиды других металлов (меди, марганца, железа).
- Наблюдать процессы стеклования.
- Получить стекла разной формы и достаточно тонкие пленки, чтобы детально изучить их структуры с помощью сканирующего зондового микроскопа «Nanoeducator» в лаборатории лицея.
- Изучить превращения структур на микроуровне.
- Узнать больше об аморфном и кристаллическом строении твердых тел.
- Связать кристалличность различных добавок, прозрачность и цвет.
Гипотеза
Добавление оксидов различных металлов в состав стекла влияет на его физические свойства
Объект: сканирующий зондовый микроскоп «NANOEDUCATOR»
Предмет: поверхности полученных стекол
Методы исследования: сканирующая зондовая и туннельная микроскопии.
Из литературных данных мы узнали, о необходимых соотношениях для получения легкоплавких стекол. Например, при соотношениях 84 % окиси свинца (PbO), 14 % оксида бора или борной кислоты (B2O3или H3BO3) и 4 % кварца SiO2 температура размягчения минимальна, около 484°С. На 2 % больше борной кислоты нужно брать на улетучивание. Опыты проводили в школьной лаборатории, смешивая соответственно компоненты для получения 2 гр. стекла и нагревая их в металлическом тигле с помощью газовой горелки и тщательно перемешивая [3, 4].
При достижении жидкого расплава получили образцы в виде капли на металлической подложке, который остывал до комнатной температуры. Металлическая подложка выбиралась так, чтобы образец затем можно было исследовать с помощью сканирующего зондового микроскопа.
Рис. 1. Образцы полученных стекол
Мы могли провести исследования полученных структур с помощью СЗМ «Nanoeducator». Поскольку стекла аморфные, то полученные изображения поверхности говорят не только о структуре поверхности, но и расположении атомов во всем материла, расположении зон аморфности и кристалличности [5, 6, 7].
На сканах поверхности чистого расплавленного оксида свинца мы видим формы кристаллитов самых разных размеров, которые отличаются от образцов с добавками..
Рис. 2. Образцы сканов расплавленного свинца
Таблица 1
Изменение морфологии стекла в зависимости от содержания оксидов меди, марганца и железа
|
№ образца |
Изображение 2D |
3D-модель |
Описание образца |
|
Образец № 4 82 % PbO 4 % SiO2 2 % CuO 14 % H3BO3
|
|
|
Размеры скана: 9,65 × 9,65 мкм Средние размеры частиц ширина: 0,9 мкм, Средний перепад высот: 1 мкм Наибольшая высота: ≈1,5 мкм Стекло черное |
|
Образец № 5 84 % PbO 4 % SiO2 1 % CuO 13 % H3BO3
|
|
|
Размер скана: 9,65 × 9,65 мкм Перепад высот не наблюдается Размер частицы: 0,5 мкм Стекло черное |
|
Образец № 6 75 % PbO 18 % SiO2 2 % CuO 7 % H3BO3
|
|
|
Размер скана: 9,65 × 9,65 мкм Средний перепад высот: ≈ 2 мкм Наибольшая высота: ≈2,50 мкм Средний размер крупных частиц: ≈ 3 мкм Стекло черное |
|
Образец № 7 75 % PbO 19 % SiO2 1 % CuO 7 % H3BO3
|
|
|
Размер скана: 9,65 × 9,65 мкм Средний перепад высот: ≈ 1 мкм Наибольшая высота: ≈ 1,5 мкм Средний размер частиц: ≈ 4 мкм Стекло черное |
|
Образец № 8 75 % PbO 17 % SiO2 1 % MnO2 9 % H3BO3
|
|
|
Размер скана: 9,65 × 9,65 мкм Средний перепад высот: ≈ 23 нм Наибольшая высота: ≈ 80 нм Средний размер частиц: ≈ 2.4 мкм Стекло темно зеленое |
|
Образец № 9 75 % PbO 18 % SiO2 2 % MnO2 7 % H3BO3
|
|
|
Размер скана: 9,65 × 9,65 мкм Средний перепад высот: ≈ 0,5 мкм Наибольшая высота: 2 мкм Средний размер частиц: ≈ 2 мкм Стекло темно зеленое |
|
Образец № 10 82 % PbO 4 % SiO2 2 % MnO2 14 % H3BO3
|
|
|
Размеры скана: 9,65 × 9,65 мкм Средний перепад высот: ≈ 1,5 мкм Наибольшая высота: ≈ 2 мкм Средний размер частиц: ≈ 2 мкм Стекло темно зеленое |
Чем больше оксида кремния, тем более аморфным получается стекло, однако при этом растет и температура размягчения, так при содержании 27 % оксида кремния расплавить компоненты на горелке не удалось.
Хороший результат по изменению цвета получился именно с добавками оксидов меди. Медь является типичным минералобразователем, ее добавляют в состав для уменьшения температуры размягчения и изменения оптических свойств. На всех сканах мы видим частицы похожей формы, что позволяет предполагать их именно медьсодержащими частицами. На цвет основное влияние оказывают их количество и размер. Даже небольшая добавка оксидов железа заметно влияет на структуру аморфных стекол. Образовавшиеся кристаллики на поверхности занимают большой объем. Формы этих образований заметно отличаются от образований образцов без добавок и с добавками других металлов.
На полученных снимках мы видим, что даже небольшая добавка оксидов железа, марганца и меди заметно влияет на структуру аморфных стекол. Наибольшие изменения дают железо и медь, образовавшиеся кристаллики меди и железа на поверхности занимают большой объем. Формы этих образований заметно отличаются. Также по таким изображениям можно судить о качестве различных стекол, мы получили среднего качества, нужно было бы добиваться более равномерного нагревания и удаления пузырьков. Изменение в исходном составе диатомита на кварц никаких изменений поверхности не вызвало.
Литература:
1. http://www.bitel.kg/mineraly-i-mineralogija/kamni/246-prirodnoe-steklo-obsidian.html — природное стекло
2. http://n-t.ru/ri/kk/hm06.htm — Ю.Кукушкин. Химия вокруг нас. Стекло
3. http://chem-waste.narod.ru — Получение бор-силикатных стекол
4. http://www.kristallikov.net/page7.html — Цвет стекла. Оргстекло.
5. З.Корякова, В.Битт — Легкоплавкие стекла //Компоненты и технологии № 5, 2004 г.
6. Китайгородский А. И. Порядок и беспорядок в мире атомов.
7. Кутолин С. А., Нейч А. И. Физическая химия цветного стекла — М.: Стройиздат, 1988г.
