【元素家族——連載88】晶瑩透亮的非晶體——玻璃

傳說5000多年前，幾位腓尼基商人在一次長途旅行中遇到風暴，被迫流落到一個海灘上，他們點燃火苗，準備做飯。可是整個海灘上也找不到石頭可以把鍋給架起來，他們只好開啟他們船上裝載的商品——鹼塊（蘇打），用以撐起他們的鍋。第二天，等到他們要離開的時候，突然發現灰燼裡，有一粒粒白色的東西在閃閃發光，如同魚身上的鱗片。他們帶走了這些奇妙的 “鱗片”，並記錄下了這種事情。

這是怎麼回事呢？原來，在沙灘上的細沙裡，有很多石英。石英是不會被柴火的溫度熔化的。但是鹼塊（碳酸鈉）的幫助下，石英就可以在較低的溫度下熔融，冷卻之後，變成了一粒粒的透明體，它的成分是鈣鈉矽酸鹽，我們叫它“玻璃”。

【公元前5-6世紀，腓尼基人的玻璃項鍊。】

這幾個商人不經意間的發現迅速傳播開來，到了公元前15世紀，克里特島、希臘邁錫尼、埃及、西亞等地區都開始生產玻璃，這些都被考古發現所證實。

公元前650年，亞述末代國王亞述巴尼拔的圖書館裡，存放了一本怎樣製造玻璃的“指南”，類似的書籍在古埃及亞歷山大圖書館裡也被找到過，這說明當時玻璃的製作工藝已經比較成熟。

【古希臘的雙耳玻璃瓶。】

到了羅馬時代，製作玻璃的技術得到了進一步的提升。之前的玻璃都有顏色，最常見的是淺綠色，是因為其中含有二價鐵離子，想想我們用的啤酒瓶是不是這樣的顏色？

羅馬人發現，在玻璃中加入二氧化錳，會使玻璃變得無色。原來，二氧化錳中的四價錳具有氧化性，會將二價鐵離子氧化成黃色的三價鐵離子，而自己被還原成藍紫色的三價錳離子，黃色和藍紫色恰好是互補色，外觀上看起來就是無色透明的啦。

有了無色透明的玻璃，羅馬人就將它應用到更多的地方，他們不僅使用玻璃去製作容器，還用它們來做馬賽克地磚，玻璃窗戶也出現了。

【羅馬時代的玻璃製品。】

漫長的中世紀裡，玻璃工藝沒有太大的發展，一直到了文藝復興前夕的12世紀，人們發現在玻璃裡新增各種金屬或者鹽類，會讓玻璃呈現出不同的顏色，彩色玻璃誕生了。在那個時代，彩色玻璃主要被用來製造教堂裡的裝飾玻璃，現在我們去歐洲旅行，可以看到幾乎所有的教堂都用美麗的彩色玻璃裝扮起來。

【科隆大教堂的彩色玻璃。】

在當時，歐洲有兩個地方的玻璃最為有名。

一個是波西米亞和西里西亞，位置在今天的捷克。當時這裡生產一種墨綠色的玻璃，被稱為“森林玻璃”。到現在還有一種叫做“萊茵酒杯”是這樣的顏色，來源於這個地方。還記得之前的施華洛世奇嗎，其創始人就是從這裡走出去的。

另一個地方叫做穆拉諾，這個名字大家可能不熟，但這個地方所屬的城市就是大家熟知的義大利水城威尼斯。最早的時候，威尼斯共和國的房子都是木頭做的，1291年的一天，突然有傳言會有大火，富裕的威尼斯商人們被嚇得不輕，立刻將附近的玻璃工人們連人帶裝置都招募過來，聚集到附近的穆拉諾島上。穆拉諾就這樣成為全歐洲最有名的玻璃生產基地，這些工人是不允許離開海島的，目的是防止技術外洩。

【約1880年，威尼斯穆拉諾產出的玻璃吊燈。】

17世紀，英國人發明了含鉛玻璃，這是一種更加便宜的獲得無色玻璃的方法。法國人也開始用熔鑄法生產大面積的平板玻璃，瑞士人引入了攪拌法，讓玻璃內部更加均勻。最關鍵的是，勒布朗和索爾維的制鹼法誕生了，廉價的可大規模工業生產的純鹼被製造出來，有力的推動了玻璃的應用和發展。

1851年第一屆世博會（當時叫做萬國博覽會）在倫敦舉辦，英國人帕克斯頓設計了會議的場館：“水晶宮”，由鋼鐵做骨架，全身上下從屋頂到側面都用玻璃為主體，這是第一次用透明材質做建築主體材料的大膽嘗試。這次會議共有超過六百二十萬人次來參觀，幾乎所有人都驚歎於會議場館的神奇。

【第一屆世博會的“水晶宮”外觀。】

1871年，法國人巴斯提在製造玻璃的時候用油脂迅速冷卻淬火，他發現這樣做出的玻璃強度和熱穩定性都特別好。大家把這種玻璃叫做“巴斯提玻璃”，也叫作“回火玻璃”，它現在更常見的名字叫做“鋼化玻璃”。

我們的經驗告訴我們，家裡的玻璃杯打碎以後，媽媽們會特別緊張，深怕尖銳的碎片傷害了孩子的腳。鋼化玻璃的抗衝擊強度是普通玻璃的3～5倍，如果玻璃杯是用鋼化玻璃做的，被孩子摔到地上，它會跳躍幾下，而不會碎裂。當然這不代表鋼化玻璃百擊不穿，如果受到特別大的衝擊力，它也會碎，只是碎的很有個性，會變成一顆一顆圓潤的碎片，而看不到任何尖銳之處，這些碎片也不會急速飛濺出去，而是仍然連在一起。所以鋼化玻璃製作的物品不會傷人，安全性得到了保障。

【汽車的側面窗戶用鋼化玻璃製作，破碎以後是這樣的形態。】

20世紀50年代末，英國人皮爾金頓爵士發明了浮法玻璃生產工藝，他在連續板帶上放上一層熔融的錫作為基底，再讓熔融的玻璃在上面流動，直至冷凝。這種方法可以保證生產出來的玻璃擁有均一的厚度和平整的表面。直到現在，90%以上的平板玻璃用的還是這種方法。

【平板玻璃的浮法生產工藝。】

說到這裡，回過頭來看我們的標題，是不是有什麼問題？

玻璃如此晶瑩透亮，難道不是晶體嗎？答案是肯定的：不是！

水晶也是透明的，但是水晶是晶體，那是因為水晶是由矽原子和氧原子形成類似鑽石的正四面體空間網狀結構的二氧化矽晶體，而玻璃是一種無規則結構的非晶態固體，不像晶體那樣在空間具有長程有序的排列，而在短程上，它又是有序的，由矽氧矽組成一個又一個的四元環、五元環、六元環甚至更大的環，這一點很類似於液體。

因此從化學的角度來看，玻璃是一種很奇妙的物質，宏觀上像固體一樣保持特定的外形，不隨重力作用而流動；微觀上又很像液體，長程無序短程有序。也許，你可以把玻璃看成粘度很大的液體。

下幾章，我們就看看這奇妙的玻璃在我們身邊都起了什麼樣的作用。

【玻璃的微觀結構示意圖，矽氧矽鍵相對於碳碳鍵比較“柔軟”，所以能很“舒適”（這個詞我們到有機矽那一部分再好好體會）的形成四、五、六、七、八，甚至更多矽原子組成的環狀，甚至網狀。】

文末，推薦一下我的公眾號：理性邊界。《元素家族》系列文章已經寫到鉑系元素，歷經200多篇，在公眾號裡全系列連載。但知乎上均為審閱版本，公眾號裡為原始版本，希望大家多多指點。

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