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

Czyszczenie wykonanego ze szkła kwarcowego okna wysokorozdzielczego skanera hiperspektralnego ARCHER^[6]

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

• vycor
• krzemionka topiona

Przypisy