כבר בתקופת האבן השתמשו בני האדם בזכוכית טבעית כדי ליצור סכינים וראשי חצים. מאז ולאורך כל ההיסטוריה השימוש בסוגי הזכוכית השונים הלך וגבר. מוצקים אמורפיים משמשים כיום למגוון ישומים, החל בכלים הקלאסיים ביותר כמו בקבוקים, כלי קיבול וחלונות וכלה ביישומים של אופטיקה מתקדמת, רכיבים אלקטרוניים, מסכי מגע חדשניים ואפילו תרופות.

כשאנו חושבים על זכוכית, הדברים הראשונים שעולים בדרך כלל בדעתנו הם כוסות שתייה או בקבוקים, אבל בראייה מדעית זכוכית היא הרבה יותר ממוצר. למעשה מדובר באחת הצורות הנפוצות של המצב המוצק האמורפי, שהוא אחד מסוגי מצב הצבירה המוצק. בניגוד לגבישים שבהם האטומים מסודרים בצפיפות רבה בצורה מחזורית, האטומים בזכוכית מסודרים ברשת אקראית שבה המבנה מסודר בטווח הקצר, אך חסר סדר מחזורי לטווח הארוך.

למוצקים האמורפיים יש תכונה ייחודית – לכולם יש טמפרטורה אופיינית שבה הוא עובר "מעבר זכוכיתי" והחומר עובר ממצב מוצק למצב צמיגי דמוי גומי. התכונה הזו מאפשרת לעצב את הזכוכית בקלות לצורות רבות ומורכבות, וכך לא רק יוצרת מגוון אדיר של שימושים אפשריים, אלא אפילו ענף שלם באמנות.


פסל זכוכית בגובה של ארבעה מטרים שיצר אמן הזכוכית צ'יהולי | תמונה: ויקיפדיה

איך מכינים זכוכית

הזכוכית הנפוצה ביותר היא בעיקרה תרכובת של צורן (סיליקון) וחמצן שנקראת צורן דו-חמצני (סיליקה (SiO2, או בשמה המוכר יותר – חול. לזכוכית שעשויה מסיליקה בלבד יש כמה תכונות טובות וחשובות ושימושיות, כמו קשיחות ועמידות כימית. למרות זאת השימוש בה אינו שכיח משום שהמעבר הזכוכיתי שלה מתרחש בטמפרטורות גבוהות מאוד, כך שהעיבוד שלה דורש השקעת אנרגיה אדירה ועבודה בטמפרטורה של כאלפיים מעלות צלזיוס.

במרוצת השנים התגלו חומרים רבים שיכולים לשמש כתוספים לחול, שנותר עד היום חומר הגלם העיקרי בייצור הזכוכית. כשמוסיפים אותם הם יכולים לשנות בצורה משמעותית מאוד את התכונות הפיסיקליות והכימיות של הזכוכית שמייצרים מהם. ניתן ליצור כך זכוכית שמתמוססת במים, זכוכיות צבעוניות או זכוכיות שתהיינה קשיחות ובכל זאת עם טמפרטורות מעבר זכוכיתי נמוכות יחסית, וכמובן נוחות לעיבוד.

הזכוכית הגולמית הנפוצה ביותר, שנקראת סודה-ליים, מיוצרת על ידי חימום של צורן דו-חמצני (SiO2)עם נתרן פחמתי (Na2CO3)וסיד (CaO)לטמפרטורה של כאלף מעלות צלזיוס תוך כדי ערבוב. כשהחומר עדיין חם אפשר לצקת אותו לתבנית כך שהוא יאמץ את צורתה, או ליצור כלים חלולים על ידי ניפוח.

הזכוכית הזו משמשת למגוון יישומיים. שליטה בתהליכי העיבוד שלה או שילוב של חומרים אחרים בתהליך הייצור מאפשרים ליצור לזכוכית מגוון תכונות שמתאימות לשימושים שונים. בעזרת תהליכי קירור מבוקרים, לדוגמה, יוצרים "זכוכית מחוסמת" שהפכה לחומר המרכזי בשמשות של כלי רכב. דוגמה נוספת היא הפיברגלס – מדובר בעצם בסיבי זכוכית דקים שנוצרים על ידי דחיסת זכוכית הסודה-ליים הצמיגית דרך חורים קטנים. הפיברגלס הוא חומר נפוץ מאוד שאפשר ליצור ממנו אריגים חזקים וקלים.

תכונות נוספות מתקבלות כשמכניסים שכבות ביניים בין שכבות הזכוכית. מבנה אטוּם שמורכב משתי שכבות של זכוכית שביניהן יש חלל עם אוויר הוא הבסיס לחלונות מבודדים מחום ורעש. בנוסף, שילוב פולימרים ומוצקים אמורפיים שונים במבנים רב שכבתיים מאפשרת ליצור זכוכית משוריינת שעמידה מפני תחמושת קלה ורסיסים.

מבנה הזכוכית

האטומים בזכוכית מסודרים כאמור ברשת אקראית שבה המבנה מסודר בטווח הקצר אך חסר סדר מחזורי לטווח הארוך. כדי להבין את המשמעות של המבנה הזה נסתכל במודל של זכוכית שעשויה מצורן דו-חמצני.


המבנה האטומי של זכוכית עשויה מצורן דו-חמצני | תרשים: ויקיפדיה

במבט-על אין בזכוכית סדר ארוך טווח ונראה כאילו האטומים נמצאים במבנה אקראי. במבט נקודתי יותר, ניתן לראות שכל אטום צורן קשור בקשר כימי לשלושה אטומי חמצן באותו מבנה בדיוק, כשהזווית בין כל אטום חמצן לכל אטום צורן היא תמיד 109.5 מעלות. מאחר שהתרשים דו-ממדי, אטום החמצן הרביעי, שקשור אף הוא לצורן באותה זווית, אינו נראה אך קיים וממשיך את המבנה "אל תוך הדף".

הזכרנו קודם שהכנסת תוספים בתהליך ייצור הזכוכית יכולה לשנות את תכונותיה. ברמה האטומית, התוספים יכולים להשתלב בתוך הרשת הקיימת וליצור חוסר אחידות באורכי הקשר והזוויות לאורך הרשת, או ליצור שבר שיקטע את הרשת המתמשכת. כלל חשוב במדעי החומרים הוא שמבנה פנימי אטומי בא לידי ביטוי בתכונות הכוללות של החומר, וזה בא לידי ביטוי גם בשילוב של תוספים בזכוכית.

הוספת תחמוצות של מתכות לתהליך ההכנה של הזכוכית, למשל, יכולה לשנות את צבעה או את תכונותיה. הוספת תחמוצת נחושת, לדוגמה, תצבע את הזכוכית בכחול ואילו הוספת תחמוצת ברזל תיצור זכוכית ירוקה או חומה, תלוי מה רמת החמצון של הברזל. הוספה של תחמוצת סידן מקטינה את מסיסות הזכוכית במים ואילו הוספה של תחמוצת היסוד בור מאפשרת לזכוכית לשמור על יציבות גבוהה בחום, שמתאימה לאפייה ולבישול כמו בכלי פיירקס.

הכימיה של המוצקים האמורפיים עשירה ומעניינת וכאן חשפנו בפניכם רק טפח מהעולם העשיר הזה, שכולל מגוון עצום של חומרים ויישומים. מדהים לחשוב שדווקא מתוך אי סדר יחסי של המבנה האטומי של החומרים האלה אלו נולדו אינסוף אפשרויות למחקר, פיתוח ואפילו אמנות.

איתן אוקסנברג
דוקטורנט, המחלקה לחומרים ופני שטח
מכון ויצמן למדע



הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בתגובה לכתבה זו ואנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה יתקבלו תמיד בברכה.

3 תגובות

  • ברקת

    שאלה

    היי האם ניתן להוסיף תכונות מכניות וכימיות של הזכוכית?

  • אופיר

    צורן דו חמצני

    יש לי שאלה בקשר לציור של המבנה של צורן דו-חמצני.
    בציור רואים שכל אטום צורן מחובר ל-3 אטומי חמצן, וככה גם כתוב בכתבה. אבל עד כמה שאני מבין - צורך הוא כמו פחמן, והוא צריך 4 קשרים כימיים כדי להיות יציב, אז האם לא חסר כאן קשר לצורן?
    או שהציור לא מראה את כל הקשרים?

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאיתן אוקסנברג

    תשובה

    היי אופיר
    אתה כמובן צודק, כל אטום צורן קשור לארבעה אטומי חמצן במבנה טטראדרי. התרשים הוא דו מימדי ועל כן הוא לא מראה את כל האטומים "בתוך ומחוץ לדף".
    אני מסכים שזה לא היה ברור מספיק ולכן הוספתי משפט הבהרה.
    תודה על ההערה החשובה.