PDF《化学趣史（四） 关于玻璃的传说和一些不靠谱的实验》

3500 年前,埃及人就已发明了所谓的玻璃,但本 质上只是具有釉面的陶器.至于腓尼基人的贡献, 更大的可能性是他们在埃及人 和罗马人之间起了一种承上启下的作用. 埃及人的玻璃 之所以说罗马人发明玻璃的说法更为可信, 最主要的原因是玻璃烧制过程的 诀窍是烧制温度,在此之前,人类对火的掌握还不够成熟,并不能提供足够高的 温度来烧制品质优良的玻璃.要想使成品呈现晶莹剔透的状态,需要在 1200℃ 以上的条件并保持较长时间, 所以在野外环境一次打翻炉火就产生晶莹玻璃的可 能性几乎为零――除非那炉火是被雷劈倒,瞬间产生了局部高温――这并非单 纯是调侃,自然界存在的黑曜石就是一种黑色玻璃,是由于火山的高温而产生的 二氧化硅结晶.水晶固然也可以看作是一种玻璃, 但天然水晶的形成过程是晶体 生长,与玻璃烧制截然不同. 长期以来,西方人认为神奇的中国人并没加过有关玻璃的技能点,只是在汉 朝某个时期通过与西域交流, 掌握了玻璃烧制技术,然后玻璃就成为贵族与宗教 的专属材料,没有得到什么发展.不过现代化学证明,瓷器与玻璃有着非常密切 的关联,瓷釉就是一种玻璃, 而中国人烧制的琉璃则是一种有别于西方钠钙玻璃 体系的铅钡玻璃体系,总之,在玻璃发展史上,中国也是有着原创性贡献的,但 乏善可陈. 中国人对瓷器热衷而没太怎么关注玻璃, 很大程度上因为中国的玻璃透明度 不高, 模模糊糊的还不如瓷器的素肌玉骨来得更好, 而且铅钡玻璃的实用性很低, 所以在过去的两三千年里,我们的祖先不断地在瓷器这一棵技能树上乱点, 却忽 略了玻璃这个宝藏,这实在很可惜. 琉璃在中国发展缓慢 玻璃的透明特质 玻璃拥有很多宝贵的性能, 比如耐腐蚀、 绝缘等等, 但最重要是的光学特征. 在继续下文之前,我们首先搞清楚一个小问题, 非晶体的玻璃为什么会是透明的? 从外观上看,玻璃和水晶很像,从结构上说,它们也都是以二氧化硅为主, 但二者却有着非常本质的区别――玻璃是非晶体而水晶则是晶体.结构化学理 论认为,晶体都是有序排列的,就像阅兵时的部队方阵,而非晶体则是无序的, 就像阅兵时的群众方阵. 区分有序和无序的方式是这样的, 假设阅兵方阵足够大, 大到无穷大那么大,那么如果平移或者旋转某个角度之后,这个方阵看上去和原 来一样,那就是有序,反之则是无序.玻璃从微观结构上不具备这样的特性,因 此它就是非晶体, 从宏观上表现出没有固定熔点, 这个知识点好像初中就普及了. 玻璃之所以透明,正是拜其非晶体的特性所赐, 而水晶之所以透明则是因为 它是晶体――听起来是不是特别矛盾?这个就需要慢慢解释了. 实际上,透明的本质是光可以穿透,比如空气中的分子间隔很大,对于光波 而言与真空差不太多,所以空气是透明的.但液体和固体的分子间隔比较小,光 波就比较容易受到原子和分子的阻隔, 如果在这个过程中,原子或分子对光波中 的能量产生了兴趣,事情就不太好玩了,它们就会吸收掉相应波长的光波,有色 透明物质就是吸收了一部分可见光而透过了其他可见光, 而金属特殊的电子海洋 结构使得可见光遇到金属更是被全波段吸收. 水晶中的二氧化硅成分并不会强烈 吸收可见光,所以光波如入无人之境,除了界面反射的那一部分以外,都透射出 来了. 等一等,我们是不是说到界面发生的反射现象?这一点很重要,研究发现, 水晶对光波的反射率大约只有 8%, 也就是说 92%的光可以透射过去. 界面的反 射作用会累积,所以当晶体界面越多,晶体的透明度就会越低,因此当我们抓一 把水晶块放在一起看,它们就变得不透明了. 晶体与非定型结构示意 可以想象,如果这些水晶块之间不是空气,而是无定型的二氧化硅,那么由 于界面仍然存在,这样半结晶的水晶也将是不透明的.如果这些水晶块足够小, 小到比光波的波长还要小,可以视作无定型时,这时的界面又消失了,这块无定 型的水晶就又透明了, 但结构却从部队方阵变成了群众方阵. 玻璃其实就是这种 无定型的水晶中掺杂了一些金属氧化物,像氧化钠这些对光波没有什么影响, 但 过渡金属的氧化物却多数对光波有吸收,蓝色钴玻璃便是这个原理. 这样一个简单的原理却在高分子合成中扮演着极其重要的角色. 水晶和玻璃 都可以看作是无机高分子, 它们都透明的案例说明高分子如果本身对光波没有吸 收, 那么要想做成透明物质, 最重要的任务就是取消界面的存在――这样就有两 种做法,要么像水晶一样慢慢生长成单晶,要么像玻璃一样干脆长成无定型.日 常生活中,HDPE(高密度聚乙烯)没有透明产品,其原因就是结构规整的聚乙 烯太容易结晶, 但又结不成单晶那样, 于是结构中就是一些小晶体掺杂着无定型, 最终便不透明了. PP (聚丙烯) 结晶度稍微低一些, 所以正常情况下都是半透明, 如果这时加入一些助剂让 PP 的结晶变得更小,那么透明的 PP 材料便出现了, 现在市面上的透明 PP 便是采用的这一原理.至于为何不用长单晶的方式来做透 明高分子――只能说现阶段条件不过是个美好的梦.这样也就不难理解像 PET (聚酯) 、LDPE(低密度聚乙烯) 、PC(聚碳酸酯) 、PS(聚苯乙烯)这些塑料都 是透明物质了,它们都不太容易结晶,长出来就是无定型的. 气泡的引入也是形成界面,把玻璃做发泡工艺处理就可以得到陶,陶便是不 透明的,所以就不必问为什么泡沫饭盒也是聚苯乙烯为何却不透明的事了. 玻璃与科技文明 说了这么多关于玻璃透明的原理,却远远地跑了历史的题.玻璃的化学结构 简单,从诞生到现在,化学层面上没有太大的改变,但玻璃的透明属性却改变了 人类历史的进程. 抛开政治因素不说,如果古代的中国人也发明了高透明度的玻璃,那么北宋 的科普读物《梦溪笔谈》中是否会出现放大镜这样的小物件,还真的很难说.但 事情现在大家都知道了, 古代的玻璃之都一直在意大利, 而最先用玻璃造出望远 镜看星星的也是一个叫什么伽利略的意大利人,那还是在