Glass

Koostis / struktuur

Klaas üldmõistena tähistab kõiki atomaarsel tasandil struktuurselt korrastamata (amorfseid) tahkiseid, sõltumata konkreetsest koostisest ja keemiliste sidemete iseloomust (kovalentsed, ioon-, molekulaar- ja polümeerklaasid, metallklaasid), mis eristuvad sellistena kristallilistest tahkistes, kus ainet moodustavad osakesed paiknevad regulaarses kristallvõres [1]. Praktikas tähistab termin “klaas” eelkõige silikaatklaase – materjale kus ränidioksiidi SiO₂ “supermolekuli” modifitseerivad mitmesugused lisandid (nt. Na ja Ca ioonid). Tehnoloogiliselt oluline on, et taolised lisandid alandavad oluliselt sulamistemperatuuri (täpsemalt – klaasistumistemperatuuri – amorfsel kvartsil on see 1200 °C, aknaklaasil 550 °C). Anorgaanilised klaasid võivad moodustuda ka teiste oksiidide baasil: boraatklaasid (B₂O₃) ja fosfaatklaasid (P₂O₅). Kalkogeenklaasid on moodustunud kalkogeenidest (S, Se, Te), mille keemiliselt seotud lineaarseid ahelaid võivad omavahel liita IV ja V rühma elemendid (Si, Ge, Sn, As, Sb). Klaase võivad moodustada ka erinevad fluoriidid.

Omadused

“Krestomaatiliselt” on (silikaat)klaas läbipaistev, värvuseta, habras ja kõva materjal, lisandite ja töötlusega saab aga tema omadusi oluliselt modifitseerida (vt. ka “Karastatud klaas”). Keemiliselt inertne (klaasi söövitab fluorvesinikhape). Klaasi värvus on tingitud tema lisanditest, kas loodulikest (toormes sisalduvatest) või spetsiaalselt sisseviidutest. Nn. tulekindlatesse klaasidesse (nt Pyrex) on sisse viidud boori lisandit, mis vähendab klaasi soojuspaisumist ja sellega seonduvaid ebasoovitavaid termilisi efekte. Ka materjal, mida olmes tuntakse “kristallina” (kristallnõud, kristallühtrid) on tegelikult klaas – suure pliisisaldusega (üle 20 kaalu% pliioksiidi) nn. kristallklaas. Plii tõstab klaasi murduminäitajat ja sedakaudu klaasi pinnalt tagasipeegelduva valguse hulka, andes kristallklaasile erilise sära. Ka muudab plii klaasi pehmemaks ja seega hõlpsamini graveeritavaks. Klaasi omaduste modifitseerimiseks kasutatakse tänapäeval laialdaselt ka pinnakatteid – klaasi pinnale kantud erineva keemilise koostise ja struktuuriga ainekihte (vt nt “Isepesev klaas”). Klaaside mikrodünaamika (vedelik – klaas üleminek,  klaaside madalatemperatuursed omadused) on ühed tänapäeva kondensaine füüsika aktuaalsetest probleemidest.

Saamine

Looduslik kvartsklaas on tekkinud vulkaanilise tegevuse tagajärjel (vt. “Obsidiaan”), välgulöögi (vt “Fulguriidid”) või meteoriidi langemise (tektiidid) tulemusel (vt. ka “Liibüa kõrbeklaas”).

Tehislikult saadakse kvartsliiva, lubja ja sooda sulatamisel modifitseerivate lisandite manulusel. Ajalooliselt sai klaasisulatamine alguse ilmselt keraamika glasuurimisest, varaseimad klaasileiud  – Egiptusest pärit klaashelmed – arvatakse olevat valmistatud umbes 2500 a. e. Kr. Klaas jõudis Eestisse esimesel aastatuhandel, haruldaseimaks arheoloogiliseks klaasileiuks Eestist on Tartust 1987. a. leitud emailimaalingutega klaaspeeker oletatava valmistamiskohaga Veneetsias.

Esimene Eestis tegutsenud klaasikoda oli Hüti klaasikoda (1628 – 1664), erinevatel aegadel on Eestis tegutsenud kokku üle poolesaja klaasitööstuse.

Üks suuremaid ja kauem tegutsenud klaastööstusi Eestis oli Rõika-Meleski peeglivabrik [2]. Selle 1792.a. algatatud tegevus on praeguseks lakanud ja jätnud järele lagunevad tehasehooned Meleskis (Google Maps), mille seinakrohist säravad vastu selle kaunistamiseks kasutatud värvilise klaasi killud.

Ülevaate Catharina – Lisetta tehaste kunagisest hiilgusest saab Ville Drevingu (vasakpoolsel pildil) poolt Meleskis asutatud väikesest klaasimuuseumist [15.08.04].

Vasakult: Lisette-Meleski klaasimanufaktuuri mälestustahvel Meleskis; vanad Meleski klaasimeistrid mälestuskivi avamisel 23.07.2005 – istub Arkadi Laur, seisab Meinhard Välba; Meleski-ümbruse teede täiteks on suurel hulgal kasutatud praakklaasi.

Vasakult: omavalmistatud gaasiküttel klaasisulatusahi Drevingute koduõues; töötav ahi; klaasimeister Ants Leinberg (Karinu klaasikoda [23.07.05]) on ahjust klaasipiibuga võtnud tombu sulaklaasi klaasloomakese valmistamiseks.

1879. a. algas klaasitootmine Järvakandis, kus praegu AS Järvakandi Klaas [22.02.08] toodab põhiliselt purke-pudeleid toiduainete, keemia- ja farmaatsiatööstusele. Järvakandi klaasiloost annab ülevaate sealne klaasimuuseum [22.02.08], mis asub Järvakandi klaasitehase endises tööliselamus (paremal muuseumi juhataja Allan Kima).

Vasakult: vana klaasikoja (“Glashütte Ierwakant ”) asendiplaan; pudeliautomaat; pudelivorm.

Vasakult: klaassilinder, mille lahtilõikamisel sai aknaklaasi; tahvelklaasi (aknaklaasi) tõmbamise seade (sulast klaasimassist); selle tõmmits (“kamm”) ja tükike tõmmatud klaasi ülaservast.

Vasakult: Järvakandis toodetud elektriisolaatorid; paketeeritud pudelid.

Eestis on tulemuslikult tegeldud ka uute klaasisortide arendamisega. Tehase “Tarbeklaas” juures tegutsenud klaasilaboris (juhataja Rein Leidtorp) töötati 1970.-1990. aastatel välja rekordiliselt suure Abbe indeksiga optiliste fluoriid-fosfaatklaaside sordid (klaasid, mille murdumisnäitaja väga vähe sõltub lainepikkusest), mis leidsid tunnustust rea välispatentide (Jaapani, Inglise, Prantsuse, Saksa) näol.

Rakendused

Aknaklaas, optilised elemendid, mahutid, dekoratiivsed rakendused, konstruktsiooni(ehitus-)materjalina (klaastellis). Ülipuhas kvartsklaas (lähtematerjaliks olev ränidioksiid saadakse kõrge puhtusastmega räniühenditest keemilisel sünteesil) on kasutusel sidetehnikas optiliste fiibritena (vt. ka “Valgusjuht”). Klaasist on kavas valmistada Tallinnasse Vabaduse väljaku äärde püstitatav Vabadussammas [26.12.07].

Näidised

E60.1. Meleski peegliklaas. See tükike pärineb Meleski klaasivabriku varasest (praak)partiist (u. aastast 1795). Klaasipinnal on näha “lainetus”, mille väljalihvimine pole võimalik. Klaasi praakpartiist jagati kohalikele töölistele, veel praegugi võib seda leida mõne sealse hoone aknaavast – välja vaadata läbi selle eriti ei saa, valgust laseb aga sisse küll.

E60.2. “Böömi klaas” Värvilist klaasi Meleskis ise kokku ei “keedetud”, vaid toodi sisse Saksamaalt.

E60.3. Aknaklaasi kild (vt. D60.1).

E60.4. Osaliselt kristalliseerunud optilise klaasi näidis “Tarbeklaasi” laborist. Kristalliseerunud osad on piimjad – hajutavad tugevalt valgust.

E60.5. Uranüülklaasist kauss. Kollakas-roheka kahkja värvuse annavad uranüülklaasile (vaselin glass)  uranüülioonid (UO₂)²⁺. Uraani radioaktiivsuse tõttu tänapäeval uranüülklaasi tarbeesemete valmistamiseks ei kasutata.

E60.6. Koobaltklaas. Intensiivse sinise värvuse annavad klaasile koobalti ioonid (Co²⁺). Koobalt on äärmiselt tugev värvija, juba 1 : 500 000 kaaluosa koobaltoksiidi (CoO) klaasis annab sellele sinaka varjundi.

E60.7. Mattklaas – elektripirni kolb. Klaasi mateerimiseks kasutatakse tema söövitamist fluorvesinikhapet (HF) või ammooniumbifluoriidi (NH₄HF₂) sisaldavate segudega, taoliselt on töödeldud mattklaasist kolvi sisepind (vt ka E60.11 „„Nanoklaasiga“ kaetud hõõglambi kolb“ veel ühe mooduse kohta hõõglambi valguse hajutamiseks).

E60.8. Swarowski kivid – suure murdumisnäitajaga pliiklaasist lihvitud dekoratiivdetailid (SS20 = dia 4,6 … 4,8 mm). Nimi pärineb Austria klaasilõikajalt ja juveliirilt Daniel Swarowskilt (1862-1956), kes aastal 1892 patenteeris elektrilise klaasilõikepingi, mis suuresti edendas pliiklaasi kasutust juveelidena.

E60.9. Opaalklaas (opal glass), ka piimklaas (milky glass) sisaldab valgust hajutavaid osakesi (nt CaF₂ mikrokristalle), mis annavad talle piimja väljanägemise.

E60.10. Kristallklaasist prisma. Pliisisalduse tõttu on kristallklaasil suur murdumisenäitaja, miska ta peegeldab tagasi suhteliselt palju valgust. See annab talle erilise, “kristalse”, sära.

E60.11. „Nanoklaasiga“ kaetud hõõglambi kolb. „Nanoklaas“on nanoskoopilistest kvartsklaasi osakestest koosnev pulber (ränidioksiidi „suits“, ik silica fume), mida saadakse gaasifaasis toimuva keemilise reaktsiooni tagajärjel (2H₂ + O₂ + SiCl₄ → SiO₂ + 4HCl). Kasutatakse üliläbipaistvate optiliste fiibrite tootmiseks, hõõglampide kolvi sisepinna katmiseks valgust hajutava kattega jt eesmärkidel. Parempoolsel fotol on hajutav kate kolvi killult osaliselt kõrvaldatud (vt ka E60.7 „Mattklaas –elektripirni kolb“ veel ühe mooduse kohta hõõglambi valguse hajutamiseks)

E29.10. Nanovasega värvitud klaas. [5]

E76.2. Rubiinklaas.

Demod, katsed

D60.1. Klaasi purunemine.

…

Holmes uuris parajasti põrandal lebavaid klaasikilde, kui leedi Mapleton tuppa astus. Detektiiv tõusis, kummardus jäigalt ja asus läbitungimatul ilmel kuulama daami pisut närvilisi seletusi selle kohta, kuidas too kõrvaltoas olles klaasiklirinat kuulis ja kohale tormates purustatud akna eest leidis. Eelnevate päevade sündmustest juba niigi segaduses ja ärevuses, oli ta helistanud oma tuttavale küsimaks, mida teha ja see oli lubanud kohale tulla asja arutama. Juttu tuli paus. Mõne hetke oodanud, ütles Holmes: “Te valetate, armuline!” …

…

“Elementaarne, Watson,” ütles Holmes. “Muidugi oli selle kuritöö selgitamiseks oluline, kummalt poolt tuli löök, mis aknaklaasi purustas. Noor Aspengrow oli piisavalt nutikas, toimetamaks õue kukkunud klaasikillud tagasi tuppa põrandale ja leidmaks ka paraja suurusega kivi, mis nende lugu kinnitama pidi. Paraku …. Eristamaks klaasi väliskülge siseküljest vihmatilkade kuivamisjälgede järgi ei pea olema maailmakuulus detektiiv ega isegi mitte aknapesija. Edasisteks järeldusteks tuleb tunda “kolme R-i reeglit”. Klaasi purunemisel löögi tagajärjel jäävad klaasikildude servadele kaarduvad murrujooned. Eriti selged on nad kildudel, mis tekkivad löögikoha vahetus läheduses. Radiaalsetel (i.k. Radial) murdeservadel on need jooned löögipoolse pinna lähedal paralleelsed pinnaga, jõuavad aga kaardudes tagaküljele (i.k. Reverse) välja täisnurga (i.k. Right angle) all. Need märgid ei jätnud mingit kahtlust, et aknaklaasi purustanud löök tuli seestpoolt, erinevalt sellest, milles leedi Mapleton meid veenda püüdis.” Holmes vaikis hetkeks. “Ma ei mõista teda hukka meile valetamise pärast. Armastuse nimel on tehtud palju hullematki. Iseasi muidugi, kas noor Aspengrow on mees, kes seda väärib.” Viimases küsimuses paistis Holmes olevat eriarvamusel.

/Sherlock Holmesi avaldamata juhtumitest/

D60.2. Uranüülklaasi luminestsents. Uranüülklaasi (E60.5) karakteerseks tunnuseks on uranüülioonide erkroheline luminestsents, mis ilmneb klaasi kiiritamisel UV-valgusega.

D60.3. Uranüülklaasi radioaktiivus. Kuna uranüülklaas sisaldab ebastabiilseid U-238 ja U-235 tuumi (ja nende ebastabiilsid lagusaadusi – tütartuumi, nt Th-234 ja Pa-234m), siis on ta nõrgalt radioaktiivne. Näidise E60.5 kiirgustase jääb siiski foonilähedaseks ja on mõõdetav vaid tundliku gammaspektromeetriga (E. Realo & K. Realo, TÜ Füüsika Instituut, vt. joonis).

D60.4. Mattklaas hajutab valgust. Mateeritud (vasakul) ja mateerimata (paremal) klaasiga hõõglambid.

Kõrvaloleval fotol on võrdluses näha mateeritud klaasiga pirni kolvi sisepind (alumine kild, matt, hajutab valgust) ja välispind (ülemine kild, peegeldab valgust).

D60.5. Kumb pool käis tinavannis? Siledapinnalise tahvelklaasi valmistamiseks on tänapäeval levinud nn Pilkingtoni protsess [27.11.07], kus sulatusahjust väljunud klaasimass jahutatakse maha sulatina pinnal, kus vedel klaas oma raskuse mõjul laiali valgub. Kuna selliselt toodetava klaasi üks pind on kontaktis sulatinaga, rikastub see difusiooni tõttu tinaioonidega. Uuringud on näidanud, et see pind sisaldab oluliselt rohkem defekte ja on seetõttu halvemate mehhaaniliste omadustega (väiksem tõmbetugevus). Selle otseseks põhjuseks pole eelkõige siiski mitte tinasisaldus, vaid asjaolu, et klaasi mahavõtmisel tinavanni pinnalt on just see klaasi pool kontaktis rullikutega. Kumb pindadest tinaga kontaktis oli, saab antud klaasitahvli korral selgitada, kasutades tinaioonide poolt klaasis tekitatavat luminestsentsi. Kiiritades klaasi UV-valgusega, on “tinapoolel” täheldatav luminestsents oluliselt intensiivsem, kui mujal. Fotodel on 4 mm aknaklaasist horisontaalne plaat pildistatud altpoolt tulevas UV-valguses servast (pisut kõrgemalt plaadi tasandist). Vasakpoolsel fotol (“tinapool” all) on näha alumise pinna intensiivne luminestsents UV-valgustatud ringikujuliselt alalt. Parempoolsel fotol on samas asendis plaadil “tinapool” ülal.

D60.6. Kuum klaas juhib elektrit. Toatemperatuuril on silikaatklaas elektriisolaator, tema juhtivus aga kasvab oluliselt kõrgematel temperatuuridel, kus klaas hakkab pehmenema. Seda demonstreerib lihtne katseseade, mis koosneb kahest järjestikku ühendatud 150 W hõõlambi pirnist. Ühel neist on kolb purustatud ja hõõgniit kõrvaldatud – alles on vaid hõõgniidi klaasist tugi selle sisse sulatatud kahe metalltraadist toitejuhtmega. Kui rakendada skeemile võrgupinge toatemperatuuril, siis klaasi suure takistuse tõttu vool seda praktiliselt ei läbi ja (terve) indikaatorlamp ei põle. Kuumutades gaasipõletiga klaastuge, kahaneb klaasi takistus ja kasvab vool, mis kõrgematel temperatuuridel on piisav indikaatorlambi süütamiseks. Järgnevas võib gaasileegi ka kõrvaldada – klaasi oomilisel takistusel eralduv soojus on piisav voolu tagava temperatuuri hoidmiseks, seda näitab ka klaasi hõõgumine maksimaalse voolutiheduse piirkonnas metalltraatide vahel.

Klaastugi külmas (vasakul) ja hõõguvas olekus.

D60.7. Opaalklaas hajutab valgust. Piltidel on opaalklaasist “Swarowski kivi” (E60.9, vasakul) võrdluses läbipaistvast värvuseta kristallklaasist “kiviga” (E60.8, vasakul).Tugeva valge valgusallika kujutised on kõik mitemkordsed peegeldused, st vastav valgus on läbinud klaasi. Opaalklaas hajutab eelistatult lühemalainelist (sinist) valgust ja vähem pikemalainelist (kollast-punast) valgust, seetõttu omandavad valgusallika kujutised kollaka tooni. Samas tuleb kogu opaalklaasist lihvise ruumalast hajunud sinakat valgust, kristallklaasis on aga hajumine nõrk ja suundades, kus puuduvad väliste heledamate objektide peegeldused, on pilt must (tume).

D60.8. Kromaatiline dispersioon. Murdumisnäitaja sõltuvuse tõttu valguse lainepikkusest moodustuvad prismat E60.10 läbinud päikesevalguses värvilised laigud – nähtava valguse spekter. Optilistes riistades on kromaatiline dispersioon ebasoovitav, põhjustades värvilise kujutise moonutust, nn kromaatilist aberratsiooni.

D60.9. “Nanoklaas” hajutab valgust. Nanoskoopiliste kvartsklaasi osakestega (E60.11) kaetud sisepinnaga hõõglambi kolb (vasakult) läbivas valguses (luminestsentslambiga valgustatud valge paberi taustal) ja tagasihajunud valguses (luminestsentslambiga eest valgustatud), vt ka D21.2 “Räni paistab läbi”. Värvuste erinevus on tingitud asjaolust, et nanoosakesed hajutavad tugevamini sinist valgust.

Viited

1. Is glass liquid or solid? [11.09.04]
2. A. Jõgi “Kodulugu: Catharina-Lisetta tehased igatsevad hea omaniku kätt” (Sakala, 01.11.2003) [15.08.04]
3. Corning Museum of Glass: a Resource on Glass [11.09.04]
4. Glass, in “Webster’s Online Dictionary. The Rosetta Edition^TM” [18.09.04]
5. J-C. Lehmann “Glass and glass products”, Europhysics News, Vol. 37, No. 6, pp. 23-27, 2006 [31.01.07]
6. Klaasist kui suhteliselt “uuest” materjalist pole küllap oodata erilisi reflektsioone rahvasuus. Otsing rahvausundi ja muistendite andmebaasis “Rehepapp” [25.02.2008] räägib klaasist eelkõige kui joogiklaasist (viinaklaasist), ka aknaklaasist, mainitakse klaasikildude (klaashelmeste) leidmist ohvripaikade läheduses. Korra on nimetatud purukstambitud klaasi kui metsloomade (rebaste) vastast vahendit (segada lihapallide sisse). Küllap põnevaim on “klaasmäe” kujund järgnevas: “… Koerakoonlased elasid maa ääre peal suure klaasmäe taga, kelle ette kahele poole külge niisugune rohi oli loodud, mis kõik loomad kui ka inimesed läbi lõikas, siis ei saand neid ilmas muul ajal näha kui palavaga jaanipäeva aeg, sest siis oli klaasmägi tihke üles minekule ja siis koerakoonud magasid sel ajal pikka und. Nende nägu õli pool inimese nägu ja pool koera nägu ja kui nad pikka und magasid, siis kasvas neile siidivõrk ümber, siis käisid inimesed neid üle klaasmäe siidist puhtaks koorimas ja nõnda said vanal ajal siidi. Seda lugu on minu vanaemale minu vanaema ema rääkinud.” E 21703/4 < Pilistvere khk., Kõo m. – Hans Keller (1895)>. Klaasmägi (mille oluliseks kvaliteediks on libedus) figureerib ka F. R. Kreutzwaldi “Eesti rahva ennemuistetes juttudes” (”Kuidas üks kuningatütar seitse aastat maganud oli”): “Pärast seda, kui see oli sündinud, ütles tark kuningale: “Nüüd saatke mehi välja kõigile maadele ja laske kõik klaasvarandused üles osta, ma tahan siis ühe ahju teha, suurema kui teie kuninga linn, kus see meie klaasi üheks mäeks sulatame. … Kes neist kosilastest kas hobuse seljas ratsa või oma jalgade peal käies klaasmäe harjale jõuab, see peab teile väimeheks saama. …” Kuningas tõotas targa tahtmist kõigis asjus täita ja käskis sedamaid kõigilt ümberkaudu maadelt klaasivarad kokku osta, millega, kui kuues aasta lõpule läks, terve penikoorem maad seitsme sülla kõrguselt sai täidetud. Vahepeal oli tark mees oma sulatamiseahju valmis teinud, mille kõrgus ligi alamate pilvedeni ulatus. Kuningas pidi temale kaks tuhat inimest abiks andma, kes klaasiahju täitsid; selle peale hakati klaasi sulatama, misläbi nii kange palavus tõusis, et rabad, jõed ja väiksemad järved ära kuivasid, …” <Kirjastus Koolibri, 2006, lk 177-178>
   Piibel seevastu on pea täiesti “klaasivaba”: vaid Johannese ilmutustest leiame neli viidet klaasile, sh kujundi klaasmeri.

Tänu: Ville Dreving, Allan Kima, Rein Leidtorp, Enn Realo, Küllike Realo, Tiiu Sild

Koostas: JK