Получение и изучение структур легкоплавких стекол
Авторы: Мария Малютина, Екатерина Холодилова, Алена Просекина
Руководитель: Просекина Ирина Геннадьевна
Достижения: победа там, победа здесь
Когда точно люди научились получать стекла точно не известно, а вот природные стекла появились с первыми вулканами, то есть миллиарды лет назад. Стекло получают быстрым охлаждением вязкого расплавленного материала. Природное стекла это очень быстро застывшая лава.Искусственных стекол сегодня придумано огромное количество, однако их не так просто получить в школьной лаборатории. Температура размягчения самого обычного стекла очень высока, более 1200 0С.
Состав стекол многокомпонентный, и выяснение того, какой же в них ближний порядок и что в них происходит с атомами интересная и важная задача.
Стекла на основе оксидов свинца, бора и кремния относят к легкоплавким стеклам (температура размягчения которых находится ниже 600 градусов С) и имеют множество технических применений. С их помощью спаивают различные металлы, герметизируют приборы и улучшают краски и эмали. Получить их в лаборатории довольно легко, нужно только взять в необходимых соотношениях окись свинца (PbO) как основной компонент,оксид бора или борную кислоту (B2O3или H3BO3) и кварцSiO2. В зависимости от пропорций температура размягчения может изменяться от минимальной 4840С домаксимальной 7140С.
Наши основные задачи
• Научиться получать чистыелегкоплавкие стекла на основе оксидов свинца, бора и кремния в лабораторных условиях. Изменять состав смеси, включив оксиды других металлов (2% CuO, 2% MnO и 2 % Fe2O3)
• Наблюдать процессы стеклования
• Получить стекла разной формы и достаточно тонкие пленки, чтобы детально изучить их поверхность с помощью сканирующего-зондового микроскопа «Nanoeducator», который есть в Лаборатории Нанотехнологий лицея №2 г. Иркутска
• Изучить изменения в структуре стекол на микроуровне
• Узнать больше об аморфном и кристаллическом строении твердых тел
• С чем мы удачно справились и узнали много нового и интересного.
Поскольку нужен чистый кремний мы взяли очищенный диатомит и кристаллы кварца и получили два типа образцов. Мы смогли убедиться, что даже небольшая добавка оксидов железа, марганца и меди заметно влияет на структуру аморфных стекол. Наибольшие изменения дают железо и медь, образовавшиеся кристаллики меди и железа на поверхности занимают большой объем. Формы их заметно отличаются. Также по таким изображениям можно судить о качестве различных стекол: мы получили стекла среднего качества, нужно было бы добиваться более равномерного нагревания и ускорить охлаждения. А вот внесение марганца привело к тому, что образец получился наиболее однородный с небольшими включениями. Изменение в исходном составе диатомита на кварц никаких изменений поверхности не вызвало.
Существует легенда, рассказывающая, как произошло открытие стекла. Однажды финикийские моряки везли из Африки большой груз соды. Остановившись на ночлег, на берегу моря, они развели костер и обложили его не камнями, как обычно, а кусками соды. Моряки уснули, костер погас. А утром они увидели в золе прозрачный твердый слиток и догадались, что это расплавленная сода. Так возникло стекло.
Говорят, что эта легенда не может быть правдой, потому что с помощью костра невозможно расплавить кварц до необходимой температуры. Это так, если только песок был идеально чистым, если же он содержал примеси металлов, то его температура плавления стала намного ниже и финикийцы смогли таки получить стекло. Мы смогли обосновать эту версию, расплавив природный кварц с добавками на газовой горелке, и рассмотрев с помощью сканирующего зондового микроскопа. А в других местах его могли изобрести по-другому, уж очень полезная оказалась вещь.