Dziś dla każdego jest oczywiste, że okna są wyposażone w szyby. Na ten ważny pomysł wpadli Rzymianie, choć za ich czasów produkowano tylko niewielkie szyby. Na początku XX w. wynaleziono technologię ciągłej produkcji dużych tafli szklanych. Od tego czasu szkło stało się materiałem bardzo tanim i szeroko dostępnym. Pokochali je nie tylko zwykli ludzie, ale też projektanci budynków. Ziściła się idea szklanych domów. W II poł. XX w. sir Alastair Pilkington opatentował jeszcze doskonalszą metodę produkcji szkła, zwaną float. Polega ona na wylewaniu roztopionej masy szklanej na powierzchnię płynnego metalu, najczęściej cyny. Reszty dokonuje grawitacja. W ten właśnie sposób produkuje się dziś większość szkła stosowanego w budownictwie i motoryzacji. Coraz popularniejsze jest też otrzymywanie w podobny sposób cienkich płyt szklanych, których używa się m.in. w wyświetlaczach dotykowych (smartfony, tablety).

Słowo „okno” można także traktować jako przenośnię. Właściwości szkła, takie jak współczynnik załamania, pozwoliły na skonstruowanie bardzo ważnych przyrządów optycznych: lupy, a potem mikroskopu do obserwacji w mikroświecie, a także lunety i teleskopu, będących naszym oknem na świat pozaziemski.

Warto też wspomnieć, że technologia produkcji przedmiotów szklanych pozwoliła nie tylko na produkcję efektownych pucharów do wina, ale także elementów wyposażenia laboratoryjnego. Szklane kolby, zlewki i probówki umożliwiły dokładniejsze obserwacje reakcji chemicznych i tak naprawdę znacząco przyczyniły się do rozwoju współczesnej chemii doświadczalnej.

Barwny świat szkła

Jeśli przyjrzymy się różnym wyrobom szklanym, zauważymy, że sporo z nich ma konkretne kolory. Szkło samo w sobie jest najczęściej bezbarwne, chociaż gdy popatrzymy na grubą warstwę lub też na stos szyb ułożonych jedna na drugiej, zauważymy delikatny zielonkawy odcień. Barwa ta wynika z obecności bardzo niewielkich ilości tlenków żelaza, które naturalnie występują w piasku kwarcowym. Jeżeli więc celowo dodamy nieco więcej tego związku, uzyskamy szkło o barwie zielonej. Oczywiście będzie ono nadal przezroczyste.

Dodatek niewielkich ilości manganu da nam szkło o miłej dla oka barwie lawendowej. Archeolodzy znaleźli sporo takiego właśnie szkła w wykopaliskach w starożytnym Egipcie. Z kolei niewielki (0,025–0,1%) dodatek kobaltu powoduje powstanie szkła o kolorze niebieskim. Jeśli do mieszanki szklanej dodamy siarkę, węgiel oraz sole żelaza, w trakcie produkcji powstaną wielosiarczki żelaza zabarwiające szkło na kolory od bursztynowego do brązowego.

Bardzo ciekawy efekt daje znikomy dodatek metalicznego złota. Mieszanka szklana po schłodzeniu staje się stałym koloidem, dając w efekcie piękną barwę czerwoną o intensywności zależnej od zawartości złota oraz rozmiaru jego cząstek. Barwa ta jest spowodowana rozpraszaniem (dyspersją) światła na drobinkach złota zawieszonych w matrycy szklanej. Takie szkło, zwane rubinowym, od wielu wieków możemy zobaczyć w witrażach na całym świecie. Charakteryzuje się ono wielką trwałością, jego kolor nie blaknie nawet po stuleciach.

Współczesne szkło o barwie czerwonej uzyskuje się bez użycia złota. Do mieszanki dodaje się selen oraz siarczek kadmu. Z kolei dodatek metalicznej miedzi pozwala na otrzymanie barwy ciemnoczerwonej, ale w tym przypadku szkło staje się nieprzejrzyste.

Bardzo ciekawe efekty zapewnia dodatek tlenku uranu. Uzyskujemy wtedy szkło o barwie żółtozielonkawej, która staje się jeszcze efektowniejsza w świetle ultrafioletowym. Wyroby z takiego szkła były bardzo popularne na początku XX w., dziś są poszukiwane przez kolekcjonerów.

Szkła naturalne

Zanim nauczyliśmy się produkować szkło, robiła to natura. Na obszarach występowania piasków spotyka się m.in. fulguryty – fragmenty stopionej krzemionki powstałe w wyniku uderzenia pioruna (łacińskie fulgur oznacza piorun). Tworzą się one pod wpływem olbrzymiej temperatury, przekraczającej 1800°C, która nagrzewa piasek w miejscu uderzenia błyskawicy. Nie są one oczywiście tak przejrzyste jak znane nam szkło, ponieważ zawierają wiele zanieczyszczeń, a w ich strukturze często uwięzione jest powietrze.

Znacznie bardziej podobne do dzisiejszego szkła jest szkło pustynne (zwane także szkliwem libijskim). Jego pochodzenie wciąż budzi dyskusje geologów, ale najczęściej uważa się, że powstało w wyniku uderzeń meteorytów w powierzchnię pustynną. Niektórzy naukowcy sugerują jednak, że mogło powstać jako efekt intensywnego promieniowania w chwili eksplozji meteoru w atmosferze.

Naturalnym szkłem jest również obsydian – skała wulkaniczna, która powstaje w trakcie szybkiego ochładzania się lawy. Składa się w 70–75% z dwutlenku krzemu (SiO₂), a obecne w nim domieszki nadają mu czarną barwę. W czasach prehistorycznych obsydian był wykorzystywany do wyrobu narzędzi, ponieważ jego odłamki mają niezwykle ostre i twarde krawędzie. Obecnie stosuje się go głównie w jubilerstwie.

Z kolei dodatek ołowiu nie zmienia barwy szkła, ale znacząco wpływa na jego właściwości optyczne, zwiększając współczynnik załamania światła. Dlatego też szkło ołowiowe jest wykorzystywane do produkcji kryształowych przedmiotów, które pięknie załamują światło na szlifowanych krawędziach. Co ciekawe, szkło to przepuszcza światło ultrafioletowe, ale jednocześnie skutecznie pochłania promieniowanie rentgenowskie, dzięki czemu jest szeroko stosowane w radiologii jako materiał ochronny.

Szkła specjalne

Na co dzień spotykamy także szkła specjalne, które często są modyfikowane w celu zwiększenia ich odporności na uszkodzenia.

Jednym z najczęściej stosowanych jest szkło laminowane, wykorzystywane do produkcji szyb samochodowych. Składa się ono z warstw szkła hartowanego, pomiędzy które wprowadza się przejrzyste żywice poliwinylowe. Następnie całość poddaje się działaniu wysokiego ciśnienia i temperatury (ok. 130°C) w autoklawie ciśnieniowym. Dzięki takiej konstrukcji szyba nie rozpada się na drobne, ostre odłamki w razie wypadku, co znacząco zwiększa bezpieczeństwo pasażerów.

Odmianą szkła laminowanego jest szkło pancerne, które również składa się z warstw, lecz dodatkowo zawiera więcej warstw polimerowych – zazwyczaj poliwęglanu. Jego grubość może wynosić nawet 20 cm. Jest odporne na ostrzał z broni ręcznej, a nawet maszynowej, jednak – wbrew nazwie – nie zapewnia ochrony przed bronią pancerną.

Coraz większą popularność w budownictwie zyskuje szkło samoczyszczące, którego powierzchnia pokryta jest cienką warstwą tlenku tytanu. Pod wpływem promieniowania UV warstwa ta inicjuje rozkład organicznych zanieczyszczeń osadzających się na powierzchni szyby, które następnie są łatwo spłukiwane przez deszcz.

W życiu codziennym często spotykamy także szkła fotochromowe, stosowane w okularach przeciwsłonecznych. Ich barwa zmienia się w zależności od natężenia światła – im jest ono silniejsze, tym ciemniejsze stają się soczewki. Efekt ten uzyskuje się poprzez dodanie do szkła halogenków srebra (chlorku, bromku itp.) oraz chlorku miedzi(I). Pod wpływem światła UV chlorek srebra ulega rozkładowi, uwalniając srebro pierwiastkowe, co powoduje przyciemnienie szkła – analogicznie do działania kliszy fotograficznej. Proces ten musi być odwracalny, dlatego obecność chlorku miedzi(I) umożliwia powrót szkła do pierwotnego stanu w momencie, gdy natężenie światła maleje.

Obecnie większość okularów fotochromowych wykonuje się z poliwęglanu, w którym efekt zmiany barwy uzyskuje się dzięki specjalnym barwnikom organicznym, zmieniającym swoją strukturę w sposób odwracalny.

Warto jednak pamiętać, że okulary fotochromowe nie przyciemniają się podczas jazdy samochodem. Dzieje się tak, ponieważ ich mechanizm działania opiera się na świetle UV, które jest skutecznie blokowane przez szyby pojazdu.

Światłowody

W XX wieku, erze elektryczności, świat został opleciony przewodami elektrycznymi. Początkowo służyły one do przesyłania prądu, następnie także sygnału telefonicznego, a pod koniec tysiąclecia umożliwiły transmisję danych, dając początek globalnym sieciom komputerowym. Przełom XX i XXI wieku przyniósł kolejną rewolucję w komunikacji – tym razem za sprawą szkła, a konkretnie technologii światłowodowej.

Światłowody wykorzystują zjawisko przesyłania światła przez cienkie włókna szklane. W normalnych warunkach promień świetlny porusza się po linii prostej, ale jeśli zostanie wprowadzony do światłowodu, będzie podążał zgodnie z jego kształtem. Włókna światłowodowe mają grubość porównywalną do ludzkiego włosa, a ich właściwości znacznie przewyższają tradycyjne przewody miedziane stosowane wcześniej w telekomunikacji.

Dla porównania – miedziany kabel telefoniczny pozwala na transmisję kilkudziesięciu rozmów telefonicznych jednocześnie, podczas gdy światłowód umożliwia przesyłanie aż 3 milionów rozmów lub niemal 100 tysięcy programów telewizyjnych. To ogromna różnica, która sprawia, że świat jest coraz gęściej oplatany szkłem.

Podstawą działania światłowodów jest zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia. Gdy promień światła zostaje wprowadzony do cylindrycznego włókna, odbija się od jego ścianek niemal bez strat, co pozwala na przesyłanie sygnału na znaczne odległości bez konieczności częstego wzmacniania.

Do produkcji światłowodów wykorzystuje się głównie szkło kwarcowe (SiO₂). W niektórych zastosowaniach stosuje się jednak również szkła zawierające fluorki metali, takie jak cyrkon i glin, lub pierwiastki z grupy tlenowców (siarka, selen, tellur), które umożliwiają przewodzenie promieniowania podczerwonego.

Światłowody znajdują zastosowanie nie tylko w telekomunikacji. Dzięki nim opracowano endoskopy wykorzystywane w medycynie, specjalistyczną aparaturę pomiarową, wzmacniacze optyczne, a także dekoracyjne systemy oświetleniowe. Ich wszechstronność i wydajność sprawiają, że technologia światłowodowa odgrywa kluczową rolę w nowoczesnym świecie.