Vetro
In senso fisico il vetro è un materiale solido amorfo, solitamente prodottosi quando un adatto materiale viscoso viene solidificato rapidamente, in modo tale che non abbia il tempo di formare una regolare struttura cristallina. Un esempio si ha versando dello zucchero da tavolo fuso su una superficie fredda. Il risultato è la formazione di un solido amorfo con fratturazione di tipo concoide, privo di struttura cristallina come aveva invece lo zucchero iniziale.
Comunemente si intende con il termine vetro uno specifico tipo, il vetro siliceo, comunemente utilizzato negli edifici, come contenitore, in elementi decorativi ecc.
In forma pura, il vetro è trasparente, relativamente duro, pressoché inerte dal punto di vista chimico e biologico e presenta una superficie molto liscia. Queste caratteristiche fanno del vetro un materiale molto utilizzato in molti settori, ma nello stesso tempo è fragile e tende a rompersi in frammenti taglienti. Questi svantaggi possono essere modificati in parte o interamente con l'aggiunta di altri elementi o per mezzo di trattamenti termici.
Il vetro comune è costituito quasi esclusivamente da biossido di silicio (SiO2), chiamato anche silice, lo stesso componente del quarzo e la sua forma policristallina, la sabbia. In forma pura, il silice ha un punto di fusione di circa 2000°C ma spesso durante la produzione del vetro vengono aggiunte altre sostanze per abbassare questa temperatura. Una di queste è la soda (Carbonato di sodio Na2CO3) oppure la potassa (Carbonato di potassio) che abbassano il punto di fusione a circa 1000°C. Purtroppo la presenza di soda rende il vetro solubile in acqua (caratteristica certo non desiderabile), per cui viene aggiunta anche calce (Ossido di calcio, CaO) per ripristinare l'insolubilità.
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Caratteristiche generali
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Una delle caratteristiche più evidenti del vetro ordinario è la trasparenza alla luce visibile. La trasparenza è dovuta all'assenza di stati di transizione elettronici nell'intervallo energetico della luce visibile e al fatto che il vetro è omogeneo a tutte le scale di grandezza superiori alla lunghezza d'onda della luce; le disomogeneità provocherebbero infatti dispersione dei raggi luminosi e quindi confusione dell'immagine).
Il vetro comune non è invece trasparente alle lunghezze d'onda minori di 400nm, ovvero il campo ultravioletto, a causa dell'aggiunta della soda. Il silice puro (quarzo) non assorbe infatti gli ultravioletti ed è usato nei settori dove occorre questa caratteristica; è però più costoso.
Il vetro può essere prodotto in forma così pura da permettere il passaggio della luce nella regione dell'infrarosso per centinaia di chilometri nelle fibre ottiche.
Si è già accennato all'aggiunta di soda o potassa per abbassare il punto di fusione del vetro ad un livello accettabile, ma altre sostanze possono essere aggiunte per ottenere diverse proprietà.
Il vetro al piombo come il cristallo al piombo o vetro Flint è più brillante perché il suo indice di rifrazione è aumentato. Anche il bario aumenta l'indice di rifrazione. Il boro è aggiunto per migliorare le caratteristiche termiche ed elettriche, come nel caso del vetro Pyrex. L'ossido di torio produce un elevatissimo indice di rifrazione ed è usato per la produzione di lenti di alta qualità. L'aggiunta di alte quantità di ferro provoca l'assorbimento della radiazione infrarossa come nei filtri per l'assorbimento di calore nei proiettori cinematografici. Con il cerio si ottiene un forte assorbimento delle radiazioni ultraviolette, ottenendo vetri in grado di offrire protezione dalla radiazioni ultraviolette ionizzanti.
Metalli e ossidi metallici vengono aggiunti nella produzione del vetro per dare o alterare il colore. Il manganese in piccole quantità neutralizza il verde causato dalla presenza di ferro, mentre in quantità elevate dà il colore ametista. Similmente il selenio in piccole dosi è usato per decolorare, mentre in quantità elevate dona colore rosso. Piccole concentrazioni di cobalto (0.025-0.1%) danno colore blu. Ossido di stagno con ossidi di arsenico e antimonio danno un vetro bianco opaco, usato nei laboratori di Venezia per imitare la porcellana. Dal 2 al 3% di ossido di rame producono un colore turchese, mentre il rame metallico dà un rosso opaco, ed è utilizzato come surrogato del rubino rosso. Il nichel, dipendentemente dalla concentrazione induce blu, violetto o anche nero. L'aggiunta di titanio dà un vetro giallo-marrone. L'oro in concentrazioni minime (0,001%), produce un vivace colore rosso rubino, mentre una quantità ancora minore dà sfumature meno intense di rosso, commercializzate con il nome di "vetro cranberry" (mirtillo). L'uranio (0.1-2%) può essere aggiunto per dare un colore giallo o verde fluorescente. Il vetro all'uranio solitamente non è sufficientemente radioattivo da essere pericoloso ma, se polverizzato per esempio mediante lucidatura con carta vetrata ed inalato, può essere cancerogeno. I composti dell'argento, in particolare il nitrato, producono una gamma di colorazioni comprese tra il rosso arancio ed il giallo.
Il modo in cui la pasta vetrosa è scaldata e raffreddata influisce molto sul colore generato da questi elementi, secondo meccanismi chimico-fisici non del tutto compresi. Periodicamente vengono scoperte nuove colorazioni per il vetro.
Il vetro è anche prodotto a volte anche dal magma vulcanico, e prende il nome di ossidiana. Questo materiale è usato da lungo tempo per fabbricare affilati coltelli. In alcuni paesi, tra cui gli Stati Uniti la raccolta di ossidiana in alcuni luoghi è proibita dalla legge.
Storia
Il vetro naturale, l'ossidiana è in uso fin dall'antichità. La prima manifattura documentata del vetro si ha in Egitto nel 2000 AC, quando fu impiegato nella produzione di stoviglie e altri utensili.
Nel primo secolo avanti Cristo fu sviluppata la tecnica del soffiaggio, che ha permesso che oggetti prima rari e costosi divenissero molto più comuni. Durante l'Impero Romano il vetro fu plasmato in molte forme, principalmente come vasi e bottiglie. I primi vetri erano di colore verde a causa della presenza di impurità di ferro nella sabbia utilizzata. Anche il vetro attuale ha similmente una leggera tinta a causa delle impurezze.
Gli oggetti in vetro risalenti ai secoli VII e VIII sono stati rinvenuti sull'isola di Torcello vicino a Venezia. Ciò testimonia una relazione tra l'epoca romana e l'importanza di questa città nella manifattura vetraria. Una svolta nella tecnica produttiva si è avuta intorno all'anno 1000, quando nel nord Europa la soda fu sostituita con la potassa, più facilmente ottenibile dalla cenere di legno. da questo momento i vetri del nord differirono significativamente da quelli originari dell'area mediterranea, dove si è mantenuto l'impiego della soda.
L'XI secolo vide l'emergere, in Germania, di una nuova tecnica per la produzione di lastre di vetro per soffiatura, stirando le sfere in cilindri, tagliando questi ancora caldi e appiattendoli quindi in fogli. Questa tecnica fu poi perfezionata nel XIII secolo a Venezia.
Fino al XII secolo il vetro drogato (cioè con impurità coloranti come metalli) non fu impiegato. Il centro di produzione vetraria del XIV secolo fu Venezia, dove furono sviluppate nuove tecnologie e un fiorente commercio di stoviglie, specchi ed altri oggetti di lusso. Alcuni vetrai veneziani si spostarono in altre aree d'Europa diffondendo così l'industria del vetro.
Il processo di produzione Crown fu impiegato a partire dalla metà del XIX secolo. In questo processo, il soffiatore fa ruotare circa 4Kg di massa vetrosa fusa all'estremità di una barra fino ad appiattirla in un disco di circa 1,5 metri di diametro. Il disco viene quindi tagliato in lastre.
Il vetro veneziano ebbe un costo elevato tra i secoli X e XIV, fino a che gli artigiani riuscirono a mantenere segreta la tecnica.
Ma intorno al 1688 un nuovo processo di fusione fu sviluppato, ed il vetro divenne un materiale molto più comune. L'invenzione della pressa per vetro nel 1827 diede inizio alla produzione di massa di questo materiale.
La tecnica a cilindri fu inventata da William J. Blenko all'inizio del XX secolo.
Le decorazioni sono incise sul vetro per mezzo di acidi o sostanze caustiche, che corrodono il materiale. Tradizionalmente l'operazione è svolta da artigiani esperti dopo che il vetro è stato soffiato o colato. Nel 1920 fu sviluppato un nuovo metodo consistente nello stampaggio diretto delle decorazioni sul vetro fuso. Questo ha permesso di abbattere i costi di produzione e assieme alla diffusione dell'uso di vetri colorati, portò ad un uso più diffuso delle stoviglie in vetro intorno al 1930.
Utensili in vetro
Il vetro è un materiale molto utilizzato per la sua durezza e scarsa reattività. Molti oggetti di casa sono di vetro: bicchieri, scodelle, bottiglie, ma anche lampadine, specchi, tubi catodici di televisori e monitor, finestre ecc. Nei laboratori di chimica, fisica, biologia e altri campi flaconi, vetrerie per analisi, lenti e altri strumenti sono fatti di vetro. Per queste applicazioni è spesso utilizzato un vetro con borosilicati o Pyrex a causa della maggiore robustezza e minore coefficiente di dilatazione termica che garantisce una buona resistenza agli shock termici e maggiore precisione nelle misure ove si hanno riscaldamenti e raffreddamenti. Per alcune applicazioni è richiesto il vetro quarzo che è però più difficile da lavorare. La maggior parte delle vetrerie sono prodotti industrialmente, ma alcuni grandi laboratori richiedono prodotti così specifici che dispongono di un tecnico soffiatore interno. I vetri vulcanici come l'ossidiana sono impiegati dall'età della pietra per realizzare utensili litici, ma la tecnica di lavorazione arcaica può essere applicata anche ai vetri attuali prodotti industrialmente.
Vetro artistico
Nonostante la disponibilità di articoli in vetro economici, gli oggetti in vetro soffiato o lavorato alla fiamma rimane un'arte viva. Alcuni artisti tra cui Sidney Waugh, Rene Lalique, Dale Chihuly e Louis Comfort Tiffany hanno prodotto straordinari oggetti in vetro. Il termine "vetro cristallo" derivante dal cristallo minerale, ha assunto la connotazione di vetro incolore di alta qualità, spesso ad alto contenuto di piombo, ed è in genere riferito ad oggetti raffinati soffiati a mano.
Esistono molte tecniche di lavorazione artigianale per i vetri artistici, ciascuno più adatto per particolari oggetti. L'artigiano del vetro può soffiare il vetro, lavorarlo alla fiamma oppure creare vetrate con forni che raggiungono la temperatura di fusione inglobando nella lastra base il motivo creato con vetri di colore diverso. È anche possibile tagliare il vetro con seghe al diamante e lucidarne le superfici.
Tra gli oggetti in vetro si hanno stoviglie (Ciotole, vasi e altri contenitori), biglie, perline, pipe da fumo, sculture, mosaici ecc. Spesso vengono utilizzati vetri colorati oppure smaltati, anche se questi ultimi sono considerati da alcuni meno raffinati.
Il museo di storia naturale di Harvard possiede una collezione di riproduzioni estremamente dettagliate di piante ed animali in vetro, lavorati alla fiamma da Leopold Blaschka e figlio, che portarono il segreto della loro tecnica nella tomba. I fiori di vetro di Blaschka sono ancora oggi fonte di ispirazione per gli artigiani moderni.
Il vetro colorato ha una lunga storia artistica: molte chiese hanno splendide finestre realizzate con tali vetri.
Vetro nell'edilizia
Vetro float (galleggiante)
Il 90% del vetro piatto prodotto nel mondo, detto vetro float è fabbricato con il sistema "a galleggiamento" inventato da Alastair Pilkington dove il vetro fuso è versato ad una estremità di un bagno di stagno fuso. Il vetro galleggia sullo stagno e si spande lungo la superficie del bagno, formando una superficie liscia su entrambi i lati. il vetro si raffredda e solidifica mentre scorre lungo il bagno formando un nastro continuo. Il prodotto è poi "lucidato a fuoco", riscaldandola nuovamente su entrambi i lati e presenta così due superfici perfettamente parallele. Le lastre sono realizzate con spessori standard di 2, 3, 4, 5, 6, 8, 10, 12, 15, 19 e 22 mm. Questo tipo di vetro è considerato pericoloso per l'uso in applicazioni architettoniche poiché tende a rompersi in grosse lastre taglienti che possono causare gravi incidenti. Le normative edilizie pongono in genere delle limitazioni all'uso di questo vetro in situazioni rischiose quali bagni, pannelli di porte, uscite antincendio e nelle scuole.
Vetro a lastra
Prima dell'invenzione di Pilkington, il vetro a lastra era in parte realizzato per estrusione o laminazione e le superfici non avevano le facce otticamente parallele, dando origine a caratteristiche aberrazioni visive. Il parallelismo poteva essere ottenuto con la lucidatura meccanica, ma con elevati costi.
Vetro cilindrico
Il vetro è soffiato all'interno di stampi metallici cilindrici, quindi dalla forma ottenuta vengono asportati gli estremi e praticato un taglio lungo una generatrice del cilindro. È quindi posto in un forno dove rammollendosi si apre e si stende in lastra. Prima dell'introduzione del metodo Pilkington a galleggiamento, questa tecnica era molto diffusa per la produzione del vetro comune.
Vetro temprato
Il vetro temprato è ottenuto per indurimento tramite trattamento termico (tempra). Il pezzo deve essere tagliato alle dimensioni richieste e ogni lavorazione (come levigatura degli spigoli o foratura) deve essere effettuata prima della tempra.
Il vetro è quindi posto su un tavolo a rulli su cui scorre all'interno di un forno che lo riscalda alla temperatura di tempra di 600°C. Quindi è rapidamente raffreddato da getti di aria. Questo processo raffredda gli strati superficiali causandone l'indurimento, mentre la parte interna rimane calda più a lungo. Il successivo raffreddamento della parte centrale produce uno sforzo di compressione sulla superficie bilanciato da tensioni distensive nella parte interna. Gli stati di tensione possono essere visti osservando il vetro in luce polarizzata.
Il vetro temprato è circa sei volte più resistente del vetro float, questo perché i difetti superficiali vengono mantenuti chiusi dalle tensioni meccaniche compressive, mentre la parte interna rimane più libera da difetti che possono dare inizio alle crepe.
D'altro canto queste tensioni hanno degli svantaggi. A causa del bilanciamento degli sforzi, un eventuale danno ad un estremo della lastra causa la frantumazione del vetro in moti piccoli pezzetti. Questo è il motivo per cui il taglio deve essere effettuato prima della tempra e nessuna lavorazione può essere fatta dopo. Così, la superficie del vetro temperato è meno dura del vetro normale ed è più suscettibile ai graffi.
Il vetro temperato è spesso impiegato per la realizzazione di elementi senza struttura portante (tutto vetro) come porte in vetro e applicazioni strutturali. È anche considerato un vetro di sicurezza in quanto, oltre che più robusto, ha la tendenza a rompersi in piccoli pezzi smussati, poco pericolosi. In alcune situazioni però si possono avere problemi di sicurezza a causa della tendenza del vetro temprato a frantumarsi completamente in seguito ad un urto sul bordo.
Se il meccanismo che è alla base della tempra non era noto, l'effetto è invece conosciuto da secoli. Nel 1640 il principe Rupert di Baviera portò all'attenzione del Re la scoperta di quelle che sono note come le "Gocce del principe Rupert". Queste particolari gocce vengono ottenute facendo gocciolare del vetro fuso in acqua, dove raffredda immediatamente. Questo provoca enormi tensioni nel vetro che danno origine alle loro particolari proprietà, come la possibilità di resistere a martellate date sulla parte bulbosa della goccia. Invece anche un piccolo graffio sulla "coda" provoca il rilascio dell'enorme energia accumulata, causando l'esplosione del vetro in una fine polvere. Le gocce sono impiegate come scherzo; il Re faceva tenere nel palmo della mano le gocce per la parte bulbosa, dopodiché rompeva la coda provocando una piccola esplosione che lasciava stupefatta la vittima dello scherzo.
Vetro laminato
Il vetro laminato è stato inventato nel 1903 dal chimico francese Edouard Benedictus. Egli si è ispirato a un flacone rimasto rivestito da uno strato plastico di nitrato di cellulosa per una disattenzione in laboratorio e poi caduto e rottosi ma senza aprirsi in pezzi. Egli fabbricò un materiale composito di vetro e plastica in grado di ridurre i pericoli in caso di incidenti automobilistici. L'invenzione non fu immediatamente adottata nel settore automobilistico, ma il primo impiego fu nei vetri delle maschere antigas in uso durante la Prima guerra mondiale.
Oggi il vetro laminato è realizzato unendo due o più strati di vetro ordinario alternato a un foglio plastico, solitamente Polivinil Butirrato (PVB). Il PVB è unito a sandwich con il vetro che è poi scaldato a 70°C e pressato con rulli per espellere l'aria ed unire i materiali.
Un tipico laminato è costituito da 3mm di vetro / 0,38mm di lamina plastica / 3mm di vetro. Il prodotto è definito vetro laminato da 6,38mm.
Lo strato intermedio mantiene i pezzi di vetro in posizione anche quando il vetro si rompe, e con la sua resistenza impedisce la formazione di larghi frammenti affilati.
Più strati e maggiore spessore del vetro aumentano la esistenza. I vetri antiproiettile realizzati con molti strati di vetro spesso, possono arrivare a 50mm di spessore.
Lo strato di PVB dona al materiale anche un maggiore effetto di isolamento acustico e riduce del 99% la trasparenza alla luce ultravioletta.
Il vetro laminato è normalmente impiegato dove ci può essere il rischio di impatti con il corpo umano, oppure dove il pericolo possa derivare dalla caduta della lastra se frantumata. Le vetrine dei negozi e il parabrezza delle auto sono tipicamente realizzati in vetro laminato.
È considerato un vetro di sicurezza grazie alla capacità di mantenersi compatto se fratturato.
Vetro autopulente
Una recente invenzione, un'altra dopo il vetro Pilkington, è il cosiddetto vetro autopulente, ideale per l'uso in edifici, automobili e altre applicazioni tecniche.
Uno strato di 50nm di Biossido di titanio applicato sulla superficie esterna produce l'effetto autopulente attraverso due meccanismi. Il primo è l'effetto fotocatalitico, in cui i raggi ultravioletti catalizzano la decomposizione delle molecole organiche sulla superficie della finestra. Il secondo è l'idrofilicità che attrae acqua sulla superficie del vetro dove forma un sottile strato che lava via i residui dei composti organici.
La fluidità del vetro
È stato a volte affermato che il vetro potrebbe avere le caratteristiche di un fluido viscoso e sciogliersi a temperatura ambiente, anche se molto lentamente, arrivando alla controversa definizione di vetro come "liquido super-raffreddato". Si è affermato che le vecchie finestre sono frequentemente più spesse alla base che nella parte superiore, e che questo è dovuto allo scioglimento. Non è chiaro da dove questa idea provenga e se ci siano prove a supporto. Una possibile origine potrebbe derivare dalle lastre realizzate in passato dai soffiatori per centrifugazione (il processo Crown descritto in questo articolo). Dal disco prodotto sono ritagliate le lastre che però non sono affatto uniformi: il bordo esterno del disco è più spesso dell'interno a causa della forza centrifuga. Le lastre erano poi montate nella finestra con la parte più spessa in basso, per maggiore stabilità e migliore trasparenza. Sono stati trovati alcuni casi di lastre con la parte spessa in alto, probabilmente a causa di imperizia nell'installazione.
Il problema della fluidità del vetro è stato molto discusso sul newgroup alt.folklore.urban e il consenso, supportato anche da esperti nel campo, è stato che il vetro non cola a temperatura ambiente.
Il vetro può comunque deformarsi in seguito all'applicazione di carichi, come qualunque solido cristallino. In alcuni casi (come i termometri da laboratorio) il vetro è riscaldato oltre la temperatura alla quale diventa un fluido super-raffreddato. Questo comporta una variazione nella calibrazione dei termometri nel corso di anni di utilizzo.
Scrivendo sull'American Journal of Physics, il fisico Edgar D. Zanotto a affermato:"...il periodo di rilassamento per il GeO2 a temperatura ambiente è di 1032 anni. Quindi il tempo di rilassamento (tempo caratteristico di colatura) dei vetri delle cattedrali dovrebbe essere molto più lungo" (Am. J. Phys, 66(5):392-5 Maggio 1998).
Prove in contrasto con la fluidità del vetro:
- Se il vetro medioevale fosse colato in modo rilevabile, gli oggetti di epoca Romana ed Egizia lo sarebbero maggiormente in proporzione, ma questo non è stato osservato.
- Se lo scioglimento del vetro fosse percepibile ad occhio nudo dopo qualche secolo, le deformazioni degli specchi dei vecchi telescopi astronomici sarebbero osservabili per mezzo dell'interferometria un un paio di giorni, ma questo non è stato notato. Allo stesso modo non sarebbero osservabili gli anelli di Newton tra frammenti di vetro vecchi di decenni. Ma questo in realtà accade.
- Le ottiche di precisione (lenti e specchi) usati in telescopi e microscopi dovrebbero perdere progressivamente il fuoco, ma questo non avviene.
Collegamenti esterni
- Le collezioni di fiori in vetro del museo di storia naturale di Harvard
- La fabbrica di vetro Pilkington