Steklo

thumb|250px|Čaša iz večbarvnega stekla, izdelana v t. i. tehniki millefiori, odkrita v enem od grobov antične Emone. Čaša je del zbirke Mestnega muzeja Ljubljana. thumb|250px|Okensko steklo thumb|250px|Laboratorijsko steklo (hladilnik) thumb|right|250px|Okrasni predmeti iz kobaltovega stekla

Stêklo je amorfna (nekristalinična), praviloma prozorna trdnina, ki ima veliko praktično, tehnološko in dekorativno uporabnost, na primer kot okensko steklo, posoda, izolacijski material (steklena volna) in optično vlakno za hiter prenos optičnih signalov. Osnovna sestavina stekla je silicijev dioksid (kremen, SiO2).

Najbolj znano in zgodovinsko najstarejše je natrijevo (ali soda-apno) steklo, iz katerega so narejene na primer steklenice, in okensko steklo. Natrijevo steklo vsebuje poleg kremenčevega peska tudi sodo (Na2CO3), ki zniža tališče, mlet apnenec (CaCO3), ki poveča njegovo trdnost in kemijsko odpornost, ter manjše količine drugih dodatkov. Med taljenjem potečeta naslednji kemijski reakciji:

SiO2 + Na2CO3 → CO2 + Na2SiO3 SiO2 + CaCO3 → CO2 + CaSiO3

Med druge najbolj znane vrste stekla spada kremenčevo steklo, ki se proizvaja iz čistega silicijevega dioksida. Svinčevo ali kristalno steklo ima velik lomni količnik in se uporablja za izdelavo dragih brušenih in nebrušenih izdelkov ter optičnih elementov (leče, prizme). Borovo steklo je zelo odporno proti kemikalijam in spremembam temperature in se uporablja predvsem za izdelavo laboratorijske steklovine.

Brezbarvno steklo se proizvaja iz zelo čistih surovin, ker ga že zelo majhne količine nečistoč tako ali drugače obarvajo. Za barvanje stekla se v talino dodajajo kovinski oksidi ali soli: železo ga obarva zeleno rumeno, kromov oksid zeleno, bakrov oksid modro, manganov oksid vijolično in zlato rdeče.

V znanosti se izraz steklo uporablja mnogo širše in zajema vse trdnine, ki imajo amorfno (nekristalinično) zgradbo in steklast prehod, ko se segrevajo proti temperaturi tališča. Med stekla v tem smislu spadajo tudi porcelani in mnogo termoplastov. Te vrste stekla se lahko proizvedejo iz zelo različnih gradiv: kovinskih zlitin, talin ionskih spojin, vodnih raztopin, molekularnih tekočin in polimerov. Polimerna stekla (poliakrilati, polikarbonati, polietilen tereftalati) so zaradi majhne gostote pogosto mnogo bolj primerna kot tradicionalna silicijeva stekla (steklenice, očesne leče).

Fizikalne lastnosti Optične lastnosti Steklo je izjemno uporabno predvsem zaradi njegove prepustnosti za vidno svetlobo, ki je polikristalinične snovi praviloma ne prepuščajo.M.W. Barsoum (2003). Fundamentals of ceramics. 2. izdaja. Bristol: IOP. ISBN 0-7503-0902-4. Posamezni kristaliti so lahko prozorni, njihove fasete (ploskve med zrni) pa svetlobo odbijejo ali razpršijo, kar ima za posledico razpršen odboj svetlobe. Steklo ne vsebuje notranjih gradbenih podenot, ki bi bile povezane mejnimi ploskvami, zato ne sipa svetlobe. Površina stekla je običajno gladka, ker se med strjevanjem molekule podhladijo in se zato ne utegnejo zložiti v pravilno kristalno geometrijo, temveč se podrejajo površinski napetosti, ki jih zlaga v mikroskopsko gladko površino. Te lastnosti dajejo steklu prozornost, ki se ohrani tudi, če steklo delno absorbira svetlobo, se pravi, če je obarvano.D.R. Uhlmann, N.J. Kreidl, urednika (1991). Optical properties of glass. Westerville, OH. American Ceramic Society. ISBN 0-944904-35-1.

Steklo lahko po zakonih optike brez sipanja lomi, odbija in prepušča svetlobo, zato je uporabno za izdelavo okenskega stekla in leč. Običajna stekla imajo lomne količnike okoli 1,5. Z dodajanjem manj gostih primesi, na primer bora, se lomni količnik zmanjša (kronsko steklo), z dodajanjem gostejših primesi, na primer kremena (kremenčevo steklo) ali svinčevega oksida (svinčevo steklo), pa se lahko poveča do vrednosti 1,8. V zadnjem času se namesto svinčevega oksida uporabljajo manj strupeni oksidi, na primer cirkonijev, titanov in barijev oksid. Stekla z visokim lomnim količnikom, ki se uporabljajo za izdelavo brušene ali nebrušene steklene posode, dajejo bolj kromatično razpršeno svetlobo, podobno kot diamant, zato se običajno (netočno) imenujejo kristalna stekla.

Steklena plošča skladno s Fresnelovimi enačbami pri normalnih pogojih v zraku odbije približno 4 % vpadne svetlobe, se pravi da (zaradi dveh površin) prepusti približno 90 % vpadne svetlobe. Stekla z dodatkom germanijevega oksida se uporabljajo v elektroniki, na primer kot optična vlakna za prenos svetlobnih signalov.

Druge lastnosti Steklo je prozorna tekočina z zelo visoko viskoznostjo in amorfno zgradbo, ki se začne mehčati pri 500−700 °C. V raztaljenem stanju se lahko piha, valja, vleče, ekstrudira in uliva v različne votle izdelke, plošče ali zelo zapleteno oblikovane predmete. Steklo, ki ni laminirano ali kako drugače (termično) obdelano, je krhko in lomljivo, po drugi strani pa izredno trdno. Prenese do 30-krat večje tlačne obremenitve kot beton ali kamen in je zato zelo uporabno na številnih področjih.

Stekla so dobri toplotni in električni izolatorji, nimajo nobenega vonja in se zaradi gladke površine lahko čistijo. Odporna so na večino kislin, topil in drugih agresivnih kemikalij, zato so primerna za izdelavo posod za shranjevanje živil ter večine kemikalij.

Silikatna stekla Sestavine |thumb|right|125px|Fulgurit

Osnovna surovina silikatnih stekel je silicijev dioksid (SiO2). Silikatno steklo nastaja v naravi s posteklitvijo kremena v kremenčevem pesku med udarom strele. Pri tem nastanejo votle, razvejane, koreninam podobne strukture, imenovane fulgurit.

left|thumb|Moldavit iz Besednic, Češka republika, je naravno steklo, ki je nastalo pri udaru meteorja.

Čisto kremenčevo steklo je sestavljeno iz razmeroma čistega kremena. Od drugih stekel se razlikuje po tem, da ne vsebuje sestavin, ki se običajno dodajajo v steklo. Kremenčevo steklo ni kristalinično in nima pravega tališča ter je uporabno samo za nekatere posebne namene. Zaradi visoke temperature steklastega prehoda (preko 1200 °C) se ne uporablja zelo pogosto.M.I. Ojovan (2004). Formation in Amorphous SiO2 as a Percolation Phase Transition in a System of Network Defects. JETP Letters 79 (12): 632–634. Bibcode: 2004JETPL..79..632O. doi: 10.1134/1.1790021.

Kremenčevemu steklu so običajno dodajajo snovi, ki poenostavijo proizvodni proces. Ena od njih je natrijev karbonat (soda, Na2CO3), ki zniža temperaturo steklastega prehoda. Slaba stran dodajanja sode je, da postane steklo vodotopno, kar običajno ni zaželeno. To pomanjkljivost se odpravi z dodajanjem kalcijevega oksida (CaO), ki se običajno dodaja kot apnenec (CaCO3), magnezijevega oksida (MgO) ali aluminijevega oksida (Al2O3). Dodatki hkrati povečajo tudi kemijsko obstojnost stekla. Takšno steklo vsebuje 70−74 masnih % SiO2 in se imenuje natrijevo (ali soda-apno) steklo.B.H.W.S. de Jong (1989). Glass. Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry. 5. izdaja. A12. VCH Publishers, Weinheim, Nemčija, str. 365–432. ISBN 978-3-527-20112-9. Natrijevo steklo obsega 90 % svetovne proizvodnje stekla.Robertson GL. (2013). Food Packaging: Principles and Practice, 3. izdaja. Florida, ZDA: CRC Press, str. 231. ISBN 978-1-4398-6241-4

Večina stekel vsebuje dodatke, ki spremenijo njegove lastnosti. Svinčev oksid poveča njegov lomni količnik, kar daje, predvsem brušenemu steklu, zelo lep »briljanten« videz. Lomni količnik poveča tudi barij. Torijev oksid poveča lomni količnik in zmanjša sipanje svetlobe, zato se je torijevo steklo nekoč uporabljalo za izdelavo zelo kakovostnih leč. Zaradi radioaktivnosti so ga v sodobnih lečah za očala zamenjali z lantanom. Steklo z dodatkom železa dobro absorbira infrardeče valovanje in se uporablja na primer za toplotne filtre na filmskih projektorjih. Steklo s cerijevimi(IV) oksidi dobro absorbira ultravijolično valovanje.G.H. Pfaender (1996). Schott guide to glass. Springer. str. 135, 186. ISBN 978-0-412-62060-7. Pridobljeno 8. februarja 2011.

V nadaljevanju so opisane najbolj pogoste vrste stekla, njihova sestava, lastnosti in uporabnost.

right|thumb|Kremenčev pesek (SiO2) je glavna sestavina večine stekel.

Taljeni kremen ali taljeno kremenovo steklo je steklast silicijev dioksid (SiO2), v katerem so molekule SiO2 urejene naključno oziroma brez kristalne strukture. Steklo ima zelo majhen temperaturni razteznostni koeficient, je zelo trdo in odporno proti visokim temperaturam (1000−1500 °C). Je najbolj odporno proti staranju, ker ne vsebuje alkalij, ki bi jih izpirala voda. Uporablja se v visokotemperaturnih aplikacijah, na primer v cevnih pečeh, svetlobnih ceveh, talilnih lončkih itd.

Natrijevo ali okensko steklo vsebuje 72 % kremena, 14,2 % natrijevega oksida (Na2O), 10,0 % kalcijevega oksida (CaO), 2,5 % magnezijevega oksida (MgO) in 0,6 % aluminijevega oksida (glinica, Al2O3). Je prozorno, enostavno za pripravo in najprimernejše za ravno (okensko) steklo. Ima visok temperaturni koeficient in majhno temperaturno obstojnost (500−600 °C). Uporabno je za okensko steklo, žarnice in namizni pribor. Steklo za posodo, na primer steklenice, vrče in kozarce, vsebuje več aluminijevega in kacijevega oksida ter manj natrijevega in magnezijevega oksida, ki sta bolj topna v vodi. Steklo je zato bolj odporno proti vodni koroziji.

Natrijevo borosilikatno steklo (Pyrex, Boral) vsebuje 81 % kremena, 12 % borovega oksida (B2O3), 4,5 % natrijevega oksida in 2 % aluminijevega oksida. Ima mnogo manjši temperaturni razteznostni koeficient (7740 Pyrex CTE: 3,25x10-6 K-1) Pyrex data sheet. Corning, Inc. Pridobljeno 15. maja 2012. od natrijevega stekla (9×10−6 K-1)AR-GLAS . Schott, N.A., Inc data sheet. in je zato dimenzijsko mnogo bolj stabilno ter odpornejše proti pokanju zaradi hitrih temperaturnih sprememb. Uporablja se predvsem za laboratorijsko steklovino, kuhinjsko posodo, optične elemente in avtomobilske žaromete.

thumb|Svinčev(II) oksid (PbO)

Svinčevo ali kristalno steklo vsebuje 59 % kremena, 25 % svinčevega oksida (PbO), 12 % kalijevega oksida (K2O), 2 % natrijevega oksida, 1,5 % cinkovega oksida (ZnO) in 0,4 % aluminijevega oksida. Zaradi velike gostote ima velik lomni količnik in zato bolj »brilijanten« ali »kristalen« videz, čeprav ni kristal. Ima tudi veliko elastičnost in se lahko obdeluje, proti segrevanju pa ni najbolj odporno.

Alumosilikatno steklo vsebuje 57 % kremena, 16 % aluminijevega oksida, 10 % kalcijevega oksida (CaO), 7 % magnezijevega oksida (MgO), 6 % barijevega oksida (BaO) in 4 % borovega trioksida (B2O3). Uporablja se predvsem za fiberglas, armiranje plastike (rezervoarji, čolni, ribiške palice itd.) in halogenske žarnice.

Oksidno steklo vsebuje 90 % aluminijevega oksida in 10 % germanijevega dioksida (GeO2). Steklo je izjemno prozorno in se uporablja za izdelavo optičnih vlaken. Svetlobne izgube so samo 5 % na kilometer vlakna.Mining the sea sand. Seafriends.org.nz. Pridobljeno 15. maja 2012. Večina optičnih vlaken je kljub temu izdelana iz stekel, katerih osnovna surovina je kremen.

Proizvodnja thumb|right|Steklopihač; ilustracija iz rokopisa Hrabanusa Maurusa De universo (1023), ki ga hrani samostan Montecassino, Italija H. Schaeffer. Glastechnik – Band 3, Flachglas. Str, 16. V proizvodnji stekla po šaržnem postopku se surovine najprej zmeljejo in zmešajo, nato pa prenesejo v talilno peč. Peči za masovno proizvodnjo natrijevega stekla so običajno ogrevane s plinom. Manjše peči ali talilni lonci za proizvodnjo posebnih stekel so lahko ogrevani tudi električno. Po taljenju se mora steklovina homogenizirati in rafinirati, se pravi, da se morajo iz nje odstraniti vsi mehurčki. Sledi končna obdelava s pihanjem, iztiskanjem, valjanjem in ulivanjem.

Valjanje stekla je postopek za proizvodnjo ravnega stekla, ki temelji na valjanju delno ohlajene steklovine. Steklo ima pogosto napake zaradi napak v valjih in neenakomerno debelino zaradi ovalnosti in slabe nastavitve valjev. Postopek se zaradi teh pomanjkljivosti vedno bolj opušča.