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让玻璃浮起来?他解决了远古难题

话说,西方凡是有些年头的教堂,玻璃窗都是分成一个个的小格子,为什么?

为了用艺术表现天父的神圣与慈爱…好吧,听着好有道理…

其实,道理只有一个:那个时代,透明的大块平板玻璃做!不!出!来!…

人类对玻璃的最早记载,出现在古罗马学者普利尼(Pliny,23-79)写的一则故事里。话说大概3千多年前的某一天,在地中海东海岸今叙利亚境内,一批腓尼基(今黎巴嫩人)商人停船靠岸。水手们将船上装载的石块搬到海滩上支锅生火做饭,吃完饭后人们发现,锅下面出现了很多亮晶晶的东西。原来,在火焰高温作用下,含硝酸盐成分的石块与沙滩上的石英砂产生了化学反应,就这样,玻璃在无意间中产生了。

玻璃很脆,不像金属一样有延展性,难以进行冷加工。古时候,为了使玻璃变薄,只能把玻璃加热到很高温度软化。然后,就像擀面一样,用铁辊反复碾压成相对比较薄的平板玻璃。

用这种方法加工出来的平板玻璃,表面粗糙,厚薄不均,而且有许多气泡与杂质掺杂其中。一大块玻璃中,只能挑出一小部分透明的区域。

一直到15世纪,玻璃窗被认为是奢侈品,只有最神圣的建筑——教堂,才不计成本安装。尽管如此,人们仍然缺少生产大块透明平板玻璃的技术。因此,教堂也只能把窗户分成一个个的小窗格,用一块块相对透明的小玻璃,拼接成玻璃窗。

尽管15世纪后,玻璃加工技术又有了一定的改进,比如,创造了圆柱加工法、磨光技术等,可以生产更大尺寸的平板玻璃,并对其表面进行抛光处理使其透明。但由于技术本身的限止,生产的玻璃尺寸仍小于2.4米(长)X 0.36米(宽)。生产大面积、均匀、不含气泡的透明平板玻璃,仍然做不到。

这也就是为什么许多欧洲老一点的建筑,玻璃窗都不会很宽的原因——窗户宽度受限于玻璃的宽度。

那么,为什么近几十年间,世界上突然冒出一大批具有玻璃外墙的高楼大厦?这些大片透明的玻璃片材,又是怎么做出来的?

这里,就不得不提到英国人皮尔金顿(Sir Alastair Pilkington),一个勤奋的工程师,同时又是一个成功的玻璃商人,他生产的玻璃曾经占领世界上平板玻璃市场90%的份额。

剑桥毕业,打过二战,当过俘虏,成为工程师,发明“浮法玻璃”,开公司赚大钱,走向人生巅峰,迎娶白富美,老年又娶了白富美…这就是皮尔金顿的一生,真正的人生赢家。

嗯,他的人生最大的转折是在1952年,作为工程师,他发明了“浮法玻璃”—— 一种可以生产大尺寸平板玻璃,并大大降低生产成本的方法。我们今天使用的平板玻璃,几乎都是用这种方法生产的。

固体表面都有一定的粗糙度,无论用多么平滑的固体容器装载玻璃熔体,冷却后玻璃表面仍不够平滑。为了降低粗糙度,需要给玻璃抛光,耗时耗力,成本大大增加。同时,由于加工过程中散热不均匀,导致玻璃内应力很大,会导致光扭曲。研究玻璃加工的皮尔金顿,常常被玻璃粗糙的表面困扰。

他经常在思考,能否发明一个方法,让玻璃表面像静止的水面一样平滑?

静止的液体表面,永远是光滑平整的。自由流动的液体分子,能够在分子级别平整表面的起伏,

是的,像水面一样!油滴漂浮在水面上,油滴与水面的接触面,不就是非常平滑吗?

日思夜想的皮尔金顿灵光一闪,既然液体是世界上最平滑的表面,为什么不能用液体表面来做容器的底,装载熔融的玻璃呢?这样,玻璃与液体接触的表面,不就能够像液体一样平滑了吗?

这个想法虽然朴实,却颠覆了人类几千年的玻璃加工工艺。

当然,用水做容器来装玻璃肯定是不行的。因为水如果遇到上千度的高温玻璃熔体,早就化做一缕清烟。而且,玻璃熔体密度比水大得多,熔体会沉入水下,起不到承载的作用。

因此,承载玻璃熔体的液体,必须同时具备至少三个必要条件:1、能承受高温;2、比玻璃熔体的比重大;3、相互不互溶。

锡的熔点是240度,沸点是2300度,在这个范围内都是液态。另外,锡的密度比玻璃熔体大得多,因此锡熔体会沉在下面,而玻璃熔体漂浮在锡“海洋”的上方,就像一杯用液态锡-玻璃调制的鸡尾酒。

如此一来,玻璃熔体铺展在液态锡的表面,就像漂浮在水面的油滴,上下表面都铺展成非常平滑的姿态,而且,锡池子有多大,平板玻璃的面积就可以做多大。“浮法玻璃”同时解决了平板玻璃表面粗糙与无法大面积制造的传统难题,生产出的玻璃明亮透明,不用进一步的加工,就可以直接使用。

以下就是”浮法玻璃“生产的示意图:

从此,平板玻璃的生产成本大大降低,人类大量使用玻璃成为现实,而用玻璃建房子也成为可能。剩下的事,就交给设计师们吧…

不过,玻璃建材的大量使用,也给社会带来了光污染的问题,这是几十年前的人们料想不到的…

皮尔金顿:怪我喽?!…


文章来源:微信公众号“漫科普”(ID:mankepu2015)

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