第1节

为什么玻璃会成为高科技产品？

20世纪的玻璃制造迎来了真正的飞跃，首先出现了浮法玻璃，然后是用于通信的光纤。浮法玻璃使我们拥有了宽敞的平面窗户，并彻底改变了建筑结构和建筑风格。这也促进了双层玻璃和复杂的热控制玻璃窗等技术的广泛应用。这些进步可能令人印象深刻，但人们仍在不断改进。只需看看英国最高的建筑之一——伦敦碎片大厦（Shard Building），你就会发现，玻璃也可以作为一种有效的覆层。此外，玻璃还可以用于家用器皿和装饰，这一切都得益于缺陷，这些缺陷能使材料着色并保持稳定。玻璃雕塑师戴尔·奇胡利（Dale Chihuly）曾在伦敦邱园（Kew Gardens）举办过一场展览，充分展示了现代大型玻璃雕塑的各种可能性。

铁和青铜的表面与大气发生反应后，形成铁锈或铜锈。玻璃表面也会与大气发生反应，只是我们的肉眼难以看到这种反应，当前的技术进步解决了与玻璃表面改性和稳定性相关的问题，涉及水蒸气、雨水和与之接触的空气中的其他化学物质和污染物。如果要通过金属或其他材料的沉积使建筑表面呈现颜色，或制作能够选择性反射或透射（包括受天气控制或具有表面韧性）的玻璃层，难度会更高。任何表层都可视为主体的缺陷。对于玻璃，我们正处于表面性质的“好” “坏”斗争阶段，这是一场经典战役。在本章中，我将简要介绍玻璃表面处理的特点。形势令人鼓舞，并且我相信，更优良、更稳定的玻璃表面会相继出现。

几千年的玻璃科学，加上专业的熔炉技术，以及后来在化学方面的经验与理解，造就了透明多彩的玻璃。从原则上来说，钢铁的发展也遵循相似的模式，但人们对它的研究热情更高，因为钢铁通常会应用于军事领域，因此也能获得财政支持。有一种精英主义观点认为，玻璃不属于高级技术专家和理论家的研究范畴。这一观点阻碍了研究层面和工业制造领域的进步（如下一章所述）。

浮法玻璃技术的利与弊

简要描述浮法玻璃工艺，我们马上就能看出它的成功原因及其潜在的表面污染问题。与所有类型的玻璃一样，浮法玻璃中也要加入一些混合物材料，以控制熔化和软化的温度，并尝试为玻璃赋予一定的物理或结构稳定性。浮法工艺的目的是制造一种又宽又平的带状玻璃。这是一个连续的过程，将纯硅酸盐沙倒入熔制池中，倒入的速度与辊子将质地均匀的平板玻璃带从熔制池拉过窑坎的速度相同。玻璃在流动时被切割成一定的长度。随后可以通过其他方式对它进行进一步的加工，添加青铜色或其他颜色以用于建筑物之上。玻璃带的黏度必须恰到好处，才能将它从熔制池中拉出来。

原料除了洁净的白沙，还包括从玻璃带上裁切下来的以及其他回收材料中的碎玻璃。这种“废弃”玻璃经济实惠，可能占原料总量的10%，但其来源是有限的，因为在生产透明玻璃时，不能使用棕色或绿色的碎玻璃。

平板玻璃相对较薄，因此需要有一个足够深的熔制池，从而使各种成分能够充分混合，此外还需要一种机械装置，避免玻璃在被辊子连续拉动时黏附在熔炉或“窑坎”上。流动的熔融玻璃比固态玻璃的移动速度更快。一个巧妙的解决方法是将混合液倒在液态锡的表面。玻璃的各个成分可以在熔炉中熔化并混合在一起，然后这种液态玻璃在锡液表面平稳流动。玻璃下的锡液为其提供了一个非常平坦的基底，而且熔炉足够大，可以使其厚度保持一致。

整个过程都需要严密的温度控制，从而使玻璃成为能够流动的液态，同时又要具备足够的黏度，使其可以被辊子拉动。我见过这样的工厂，每天生产600吨玻璃，每个熔炉有两米长的玻璃带，连续运行数月。如果需要对用于建筑表面的玻璃着色，则将其移至真空室，在真空室中空气压力大大降低，通过蒸发给玻璃表面加上金属涂层。或者，它可以在熔炉中进行弯曲与钢化，以用于制作汽车和其他车辆的挡风玻璃和进行其他类型的加工。

汽车挡风玻璃等耐热玻璃在成型后需要通过喷射空气使其快速冷却。如前文所述，由于玻璃的导热性很差，并且内部仍处于热膨胀状态，因此表面的快速冷却会使内部产生压缩。即使当玻璃整体都冷却下来后，表面压缩的区域密度也会发生轻微变化。这样做的最大好处是，表面应力使材料具有一定的弹性，其强度也高于玻璃整体。在车祸中，它会碎裂成细小的碎块，而不是尖锐的碎片。

在锡液表面漂浮的熔融玻璃存在一个小问题，在熔炉内，部分锡会扩散到下部玻璃表面。熔炉内的锡蒸发也会对玻璃的上表面造成一定的污染。对窗玻璃来说，锡的影响不太明显，因为它不会对可见光显色。但锡会导致玻璃表层发生化学变化，并干扰后续涂层和弯曲处理。涂层附着力方面的问题可能会立刻显现，也可能会在材料暴露于各种天气后出现。举个例子，一座摩天大楼上装设的漂亮青铜色玻璃在几年之后就需要更换。这种情况很少见，但太阳能与反射涂层相结合，必然会造成一定的问题。

掺锡玻璃表面的应用

我一直在试图证明缺陷具有积极的价值，因此有必要思考一个问题，即浮法玻璃表面意外掺入的锡是否有积极的用途。每年生产的低成本浮法玻璃多达数千公顷，因此如果能为这种锡杂质找到新用途，将会吸引更多的关注。锡比它在玻璃中所替代的硅更重。这意味着它的密度更大，有更多电子可以与光相互作用。因此与普通玻璃相比，掺锡玻璃会降低光的传播速度。学校物理课上会将其描述为折射率增加。掺锡玻璃层的折射率提高，因此它可以充当光波导，光射入含锡量较高的区域后会停留在表层，并在层内弹跳，光波被引导在表面传播，不会发生逃逸。在寻找锡杂质的用途时，这是一个有趣的方案。

作为个人的题外话，我想提一下，许多人试图通过化学反应在玻璃表面制造光波导，使表层折射率高于玻璃整体的折射率。实验通常选用几厘米的小尺寸材料进行尝试，成本高，且实验结果往往不一致或不可重复。很多年前，我想到浮法玻璃本身就能解决这些问题，于是从当地的玻璃商店购买了一块超过一米长的玻璃。我用光照射掺锡玻璃的表面。不出所料，它果然起到了波导的作用，通过测量发现，当光束穿过整片玻璃时，光被限制在含锡量较高的表层，我测量到较小的光损耗和散射。实验效果非常好。为了证明这个结果在大范围上具有一致性，我绘制了一幅光波导效果图，以米为单位，强调浮法玻璃是多么优秀。发表这项成果时，缺陷也带来了一定的影响，因为编辑或印刷商显然认为我在长度轴上使用“m”是个失误，于是细心地将其改为“mm”（毫米）。好在我及时做出了更正！

改变玻璃的表面性质

玻璃具有许多优秀的性能，但出于一些重要的原因，我们需要对它的表面进行改造，并在原本的表面上添加涂层，这会极大地增加加工成本和困难。由此呈现出的结果千差万别，我在表6.1中只列举了几个产品，介绍它们可能的用途与优势。

表6.1 改造玻璃表面或为表面添加涂层的用途示例

坚硬的表面

应力和杂质至少能增加玻璃表面的强度，从而防止玻璃破裂。我们对玻璃的一般经验是，它是一种易碎的材料，因此，如果一个玻璃物体掉落，我们认为它会破碎而不是弹起。对表面的处理不会直接改变内部的强度，但是应力可以将玻璃压实并减少从外部到内部的微裂纹。对许多玻璃制品来说，水或其他化学物质的渗透是使玻璃变脆弱的重要原因。因此，对玻璃乃至金属来说，制造一个坚固的外壳是一项了不起的技术。有几种简单的方法可以做到这一点。

一种方法是快速冷却表面以形成预应力表层（例如，在车窗玻璃成形期间使用冷空气喷射）。玻璃表面的强度得到提升后，我们就可以使用更薄的玻璃和更加精美、坚固的玻璃餐具。

另一种方法是利用一些化学变化，用较大的表面离子取代较小的表面离子，从而使表层压缩。玻璃的化学性质意味着，除了硅酸盐离子，还有许多其他类型的离子。它们可以降低玻璃的熔化温度，或改善其塑造方式。例如，大多数玻璃都含有一定的钠离子。钠是一种碱金属，其他碱金属离子还包括较小的锂离子和更大、更重的钾离子、铷离子和铯离子。如果我们可以在玻璃表面施加一些化学变化，用更大的钾离子代替钠离子，从而改变表面成分，那么与玻璃内部相比，表面受到压缩，产生应力。利用杂质提高玻璃表面的强度是一种常规的化学方法。但由此也会产生负面影响，例如在洗碗机中发生碱离子交换，清洁剂中的化学物质与玻璃器皿的表面离子发生交换，导致我们喜爱的器皿表面出现坑洞或外表颜色变得浑浊。

有色玻璃

化合价随温度变化而变化，因此要达到颜色“完美”不仅非常困难，而且成本高昂，最终成果可能只算得上二流产品。颜色可以添加在玻璃的表面（或里面）。但是表面容易受到化学侵蚀或磨损，并且存在附着力和保持的问题。许多涂层的颜色性质能够满足需要，或者能够反射热量和调节温度，但其附着力较弱。对浮法玻璃来说，这个反面角色可能是浮法工艺中残留在其表面的锡。例如有一种常见的涂层，它可以反射红外光，防止阳光照射使室内温度过高。该涂层需要反射长波光（即热量），同时不能扭曲可见光范围，也就是我们通过有色窗户看到的景象。

对建筑物来说，双层玻璃窗可以解决部分问题，因为有涂层的一面（浮法玻璃渗锡的一侧）可以放在内层，这样在清洁过程中它们不会受到机械磨损，也能在一定程度上减少空气的侵蚀。在双层玻璃装配过程中，熟练的玻璃工人可以分辨出两个表面之间的差异，因为有涂层的一面比未涂层的一面更加粗糙。有时，在超大型的双层玻璃窗中，大风会导致两块玻璃弯曲和相互碰触。这种情况非常糟糕，通常会撕裂涂层，给玻璃表面留下看得见的破损。但是正如电视广告中展示的那样，现在的玻璃窗非常坚固，即使将重物甩到窗户上，玻璃也不会受损。

玻璃所使用的材料类型正在不断改进，一些现代玻璃有助于温度控制，可以阻挡和反射入射阳光（最大限度地减少来自高温源——太阳的热量），也可以吸收来自低温房间的辐射（如同温室效应）。

有人误认为现在市场上出售的一种热反射玻璃的表面含有钾（化学符号K），因为它被称为K玻璃（图6.1）。

图6.1 玻璃表面热反射和光透射的K模式

在图6.1中，热反射玻璃的下一项是表层自清洁的玻璃，它们可以直接或者在阳光和水的作用下发生化学反应，以分解和阻隔温室和暖房等玻璃外部的污垢和污染物。我住在能看见大海的地方，这种能够进行有效自清洁的玻璃可以去除海鸥的排泄物和盐雾，是非常理想的窗玻璃材料（我将在后文解释这种玻璃的化学成分）。

多层涂层

单一涂层的成本较低，但如果采用需要精确控制多种涂层沉积或同类涂层逐层变化的技术，成本就会上升。然而，多层沉积在先进技术中有许多应用，并且已经成为常规技术。

从概念上来说，多层涂层的物理基础很简单。当光线照射到玻璃表面时，其中一小部分被反射。其强度取决于玻璃和周围环境的折射率。一般窗玻璃的折射率约为1.5，空气的折射率约为1。在这种情况下，玻璃表面能够反射约4%的光线。真正的高折射率材料，如金刚石（折射率约为2.42），反射率远大于玻璃（约18%），因此是闪光宝石的理想选择。金刚石的高折射率是其他任何透明天然材料都无法比拟的。红宝石、蓝宝石、石榴石和绿宝石的折射率也相对较高，约为1.76。从折射率的角度来看，一些合成材料完全可以替代金刚石，例如立方氧化锆，其折射率约为2.16，通常被用作金刚石的替代品。

我们可以通过一些方法削弱反射，例如，让光穿过蓝宝石和二氧化硅膜层之间的分界面（二者的折射率分别为1.75和1.46）。这个分界面只能反射大约0.8%的光线。如果重新制作一批材料，使二氧化硅和蓝宝石交替叠加，那么每个界面都会发生多次反射，因为光波会在每个分界面来回弹跳。根据每层的厚度，光路将占据不同数量的波长。如果光波同步，它们会叠加在一起，如果相反，它们会互相抵消。通过控制层面的厚度，我们可以选择让光波相加还是抵消。总的来说，这样可以制作一个针对波长反射率极高的反射镜。这个想法很简单，但需要高超的技术才能实现。我会省略有关沉积的细节，因为它们非常复杂。激光反射镜可能多达25层，每层都必须控制在激光波长的一小部分之内。简单来说，每层厚度的变化不能超过发丝直径的1/1000。在激光器中，多层反射镜对激光的反射效果极强。激光腔有两个反射镜，出口反射镜必须使激光束可以逸出。

如果我们能够精确控制每一层材料的厚度，接下来就会出现几种选择。与激光反射镜相反的是反射率最小的玻璃。这种玻璃适合覆在照片之上，也适用于抗反射眼镜或原则上不希望在房间内反光的电视屏幕。第二种选择是涂层玻璃，增加颜色以实现透射或反射。我们也可以制作滤光器，完全阻挡某一种颜色或只允许一种颜色通过。例如有一种滤光器可以阻挡从望远镜镜头射入的钠黄光，使我们能够在夜晚有黄色路灯的地区观看星星。

多层沉积的优点显而易见，但它的成本较高，层与层的结合十分敏感，并且容易被表面的化学物质和机械摩擦损坏，例如在抛光玻璃的时候。现在眼镜和其他许多光学部件所用的玻璃往往会添加抗反射涂层。由于大多数人每隔几年就会更换一次眼镜，所以基本不会遇到因长期使用而出现的严重损坏，但对科学研究所使用的光学部件来说，涂层能否持久附着是一个重要问题。

玻璃表面着色的简单方法

比起使用复杂的多层涂层，我们喜欢更简单、更便宜的玻璃着色法。表面金属膜涂层可以做到这一点，比如窗玻璃就利用了该技术，但可用的颜色范围有限。常规做法是添加第二层玻璃，但为了获得足够致密的颜色，这一层的厚度需要达到几毫米，而不是一层薄膜。我们需要寻找替代方法。第一个办法是考虑化学交换或让离子扩散到玻璃中（如钢化中所采用的方法）。这在少数情况下当然是可行的，但离子扩散到玻璃内部的速度往往很慢。此外，如果表层非常薄，可能无法呈现出清晰的颜色。从某种程度上来说，颜色的浓度可以通过化学反应的时长来加以改变。在加热过程中，扩散速率提高，因此高温使扩散更容易，可以呈现更加浓烈的色彩，由扩散控制的表面化学反应有利于在玻璃装饰品中形成阴影和色调。