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玻璃是甚麼?-《10種物質改變世界》

2001年,我在西班牙安達魯西亞的鄉間小路上曾經見過一個令人心醉神馳的影像。我開車經過當地四處可見的橄欖園,樹木從我兩旁飛逝,我不停瞥見成排低矮的橄欖樹排成完美的一直線,有如陳年默片從我眼前閃過,感覺就像那些古老的橄欖樹對我施了魔法,讓我忘記旅途的無聊與悶熱。那驚鴻一瞥,那樹木成排延伸到天際的景象讓人沉迷。我看看前方的道路,看看兩旁的魔幻景象,看看路,又看看兩旁,結果撞上了一輛曳引機。我到現在還是不曉得它是怎麼出現在我的前方的。我猛踩煞車,整個人從座椅上衝向擋風玻璃。我還記得撞到玻璃瞬間的觸感。玻璃應聲碎裂,我突然停格,宛如撞到一堵透明的薑餅牆。

沙是岩石經過風吹雨打、海浪衝擊或其他侵蝕作用剝落形成的碎屑混合而成的微粒。抓一把沙起來仔細檢視,你會發現許多沙礫都由石英組成。石英是二氧化矽結晶,種類繁多,因為氧和矽是地球上含量最多的兩個元素,化合後形成二氧化矽( SiO2)。簡單來說,石英結晶就是二氧化矽的規則排列,如同冰晶是水分子的規則排列、鐵是鐵原子的規則排列一樣。

玻璃和石英

石英的規則結晶構造及玻璃的不規則構造。Source: 10種物質改變世界

石英受熱會讓二氧化矽分子得到能量開始震盪,但在某個溫度之前都無法掙脫分子間的鍵結,這就是固體之所以為固體的原因。當分子持續受熱震盪到一個臨界值,亦即熔點,就會有足夠的能量掙脫鍵結,開始不規則跳動,成為液態的二氧化矽。冰晶熔化為液態水時,水分子也是如此變化。不過,水分子和二氧化矽分子有一個很大的不同。那就是液態水一旦降溫,水分子會立刻結晶為冰。事實上,這個結晶反應幾乎無法阻止:從冰箱冷凍庫結霜到山上的白雪,都是水再結晶為冰的例子,而雪花的精緻結構就來自水分子的對稱排列。我們可以不斷重複熔化和結凍的過程,冰晶也會反覆形成。

但二氧化矽就不同了。液態二氧化矽冷卻時很難再形成結晶,感覺就像二氧化矽分子忘了怎麼變為結晶似的:哪個分子該在哪裡,誰該排在誰的旁邊,對這些分子來說似乎都變成了難題。加上二氧化矽液體冷卻時,分子能量愈來愈少,愈來愈難移動,使得情況更是雪上加霜,分子更難回到組成結晶的正確位置,結果就是生成具有液態結構的二氧化矽固體,也就是玻璃。由於只要二氧化矽無法結晶,就能形成玻璃,你可能因此覺得玻璃做起來很容易,但其實不然。燃燒沙漠裡的沙子,要是風勢夠大,可能會有沙子熔化,成為半透明的黏稠液體。這液體冷卻後確實會硬化成為玻璃,但幾乎都會含有大量未熔化的沙粒,外觀有如棕色的鱗片,而且很快就會瓦解,再次變為沙礫。

這個做法有兩個問題。首先是大多數沙子裡的礦物組成都不對,無法做出好的玻璃。棕色在化學上是不好的預兆,表示含有雜質。顏料也一樣,隨意混色不會得到純色,只會產生棕棕灰灰的色調。有些添加物(如碳酸鈉,也就是所謂的助熔劑)能促進玻璃生成,但大多數添加物都沒有這個能力。沙子雖然富含石英,卻也含有風吹雨打帶來的各種物質,實在可惜。不過,就算沙子的礦物成分和比例正確,也會遇到第二個問題,就是熔點高達1,200℃左右,比一般火焰的700至800℃還高。

高溫閃電造玻璃

閃電可以解決這個問題。閃電擊中沙漠會產生超過10,000℃的高溫,不僅熔化沙子綽綽有餘,還能讓沙子變成稱為矽管石或閃電熔岩的玻璃柱。這些玻璃柱色如焦炭,狀似閃電,令人想起雷神索爾發怒射出的雷霆,因此矽管石的拉丁字源(fulgur)意思就是閃電。閃電熔岩因為是中空的,所以重量極輕,它的外層堅硬,內層是光滑的中空管狀構造。最先遭閃電擊中的沙子受高熱蒸發,因此形成中空,中空孔洞向外傳熱,先把沙子熔化,形成光滑的玻璃層,而再往外傳的溫度只能讓沙子融合在一起,於是形成粗糙的邊緣。

閃電熔岩,PanSci

利比亞沙漠發現的閃電熔岩。Source: 10種物質改變世界

閃電熔岩的顏色取決於沙子的組成元素,從灰黑色到半透明的都有。石英沙漠的閃電熔岩就是半透明的。閃電熔岩最長可達 15公尺,非常易碎,因為主體幾乎都是輕度融合的沙子。過去民眾只把閃電熔岩當成新奇古怪的東西,直到最近才改觀。閃電熔岩生成瞬間會鎖住空氣,形成氣泡,使得遠古的閃電熔岩成為很有用的史料,讓研究全球暖化的科學家可以透過這些氣泡,掌握沙漠過去的氣候變化。

利比亞沙漠有一區的沙子特別白,幾乎完全由石英組成。這裡找到的矽管石非常接近晶瑩剔透的現代玻璃,一點也不像髒兮兮的閃電熔岩。古埃及圖坦卡蒙王木乃伊上的聖甲蟲首飾就有一塊這樣的沙漠玻璃。我們知道這塊玻璃不是古埃及人製作的,因為最近研究發現它有 2千 6百萬年的歷史。目前已知只有一種物質跟它類似,就是 1945年美國新墨西哥州白沙彈靶場核試爆時產生的玻璃石。由於利比亞沙漠在 2千 6百萬年前沒有核爆,而生成如此純淨的玻璃需要極高的溫度,因此目前認為應該是隕石撞擊產生的巨大能量所致。古埃及圖坦卡蒙王木乃伊上的聖甲蟲首飾,中央的寶石就是沙漠玻璃。所以,不靠隕石撞擊或核彈爆炸,我們要如何做出現代的窗戶、眼鏡和酒杯用的那種玻璃呢?

古埃及首飾,PanSci

古埃及圖坦卡蒙王木乃伊上的聖甲蟲首飾,中央的寶石就是沙漠玻璃。Source: 10種物質改變世界

羅馬人的科學智慧

雖然古埃人及和古希臘人都對玻璃製造有所貢獻,不過真正讓玻璃走入日常生活的還是古羅馬人,是他們發現了「助熔劑」的妙用。他們使用的助熔劑是泡鹼,一種天然生成的碳酸鈉。泡鹼讓古羅馬人製作透明玻璃的溫度低上許多,不再需要加熱到足以熔化純石英的溫度。他們選擇的製造地點有成分正確的原料以及溫度夠高的窯燒,在那裡大量製造玻璃,再用四通八達的貿易網路把產品運往古羅馬帝國各地,供工匠製作成各種用品。

這些做法並不空前,過去就有人做過,但根據古羅馬史家老普林尼的說法,羅馬人讓玻璃變得廉價,使它首次成為尋常百姓也能使用的物品。古羅馬人非常喜歡玻璃,從各種充滿創意的使用方式可以看出他們熱愛的程度,例如玻璃窗就是他們發明的。古羅馬之前,窗戶都是直接開著(英文的窗戶 window原意是「風眼」),雖然有些窗戶會加裝百葉或窗簾遮風擋雨,但以透明材料做為保護還是前所未有的創舉。但顯然當時的窗玻璃都很小,而且必須用鉛焊接,因為古羅馬人還沒有能力製作大面玻璃。不過他們卻開啟了人類把玻璃用於建築的熱潮,至今依然熱度不減。

透明玻璃問世之前,鏡子都是由金屬表面高度拋光製成的。古羅馬人發現,在金屬上加一層透明玻璃,不僅能保護金屬表面不受刮損和腐蝕,還能減少金屬的用量到只需一毫米厚即可。這使得鏡子造價大幅降低,並增加效用和壽命,直到今日依然是大多數鏡子的基本製作方法。

鏡子,PanSci

金屬上加一層透明玻璃便成了日常生活中常見的鏡子。

古羅馬人的玻璃工藝可不只於此。西元一世紀以前,玻璃製品都是熔化玻璃砂再灌模做成的。粗糙的玻璃品使用這種方法綽綽有餘,但想製作更精緻的物品就要很費工了。例如製作薄酒杯時,模腔必須夠細,但濃稠的玻璃熔漿很難灌入細的模腔。古羅馬人發現固態玻璃只要加熱到一定程度,就會像塑膠一樣容易塑形,用鐵鉗夾著就能在玻璃冷卻前拉出各種形狀,甚至能在玻璃紅熱時吹氣進去,冷卻後形成完美的玻璃泡泡。憑著玻璃吹製技術,古羅馬人終於能做出精緻和複雜程度前所未有的薄壁酒杯。玻璃發明之前,酒杯都是金屬、獸角或陶瓷做成的不透明容器,欣賞美酒完全得靠味覺。玻璃酒杯發明後,酒的色澤、透明度和亮度也變得重要。看得到自己在喝什麼,對我們來說稀鬆平常,對古羅馬人卻是全新的體驗,他們愛極了這種視覺享受。

古羅馬酒杯已經是當時人類技術和文明之冠,不過比起現代酒杯還是相形見絀多了。當時的問題是,玻璃內含大量氣泡,不僅破壞美感,還會嚴重削弱玻璃強度。無論杯子互碰或不慎摔到地上,物質受力時都會把力分攤給各個原子以吸收外壓,減少單一原子的受力,無法負荷的原子會脫離原本的位置,形成裂痕。氣泡或裂痕所在的原子,周邊原子較少,無法靠周邊原子拉住它們或分散受力,因此更容易脫離原本的位置。玻璃摔碎是因為外力太大,玻璃內部發生連鎖反應,某原子脫離原位會連帶拉走周邊的原子。外力愈大,發生連鎖反應所需的氣泡或裂痕就愈小。換句話說,玻璃裡的氣泡愈大,酒杯就愈禁不起撞擊。

中國人獨缺的發明

或許因為玻璃實在太脆弱了,所以製造玻璃的技術在古羅馬人取得大幅躍進之後,便停滯不前。中國人也懂得製作玻璃,甚至曾買賣古羅馬人的玻璃,卻沒有發明製玻技術。這一點頗令人意外,因為在羅馬帝國瓦解後,中國人的材料技術發展領先了西方世界足足一千年。他們在紙、木材、陶瓷和金屬的發展上都是專家,卻獨獨忽略了玻璃。相較之下,西方由於酒杯曾經風騷一時,使得西方人對玻璃始終帶有一分尊敬與欣賞,導致文化深受影響。透明防水的窗玻璃能讓光線進入又能遮風避雨,在歐洲實在有用,很難被忽略,天氣較冷的北歐尤其如此。不過,歐洲人起初只能做出小面的堅固透明玻璃,幸好可以用鉛接合成大面玻璃,甚至可以上釉著色。彩繪和花窗玻璃成為財富和文化的象徵,更徹底改寫了歐洲教堂建築。為教堂製作花窗玻璃的工匠,逐漸獲得和石匠同等的地位,備受敬重,新的上釉技術也在歐洲蓬勃發展。十九世紀之前,東方人一直輕忽玻璃。日本和中國的房子主要使用紙窗,雖然效果良好,卻造就了不同於西方人的建築風格。

西班牙教堂窗花,PanSci

西班牙塞维利亞大教堂的花窗玻璃。

由於缺乏玻璃技術,東方就算工藝發達,也未能發明望遠鏡和顯微鏡,這些物品都要等到西方傳教士引入時,才得以接觸。當時中國工藝技術遙遙領先,實在無法判斷,是否因為少了這兩項關鍵的光學儀器,才未能如十七世紀的西方般更進一步發生科學革命。但清楚的是,沒有望遠鏡就不可能看見木星的衛星,也不可能看見冥王星並做出關鍵的天文測量,奠定我們現在對宇宙的理解。同理,沒有顯微鏡就不可能看見細菌之類的微生物,也不可能有系統的研究微觀世界,發展出醫療和各種工程技術。

10種物質改變世界,PanSci

本文摘自《10種物質改變世界》,由天下文化 出版。

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