glas

Enkele Prins Rupert druppels. Bron: Wikipedia

Vensterglas verbrijzelt kogel

6 reacties / Ideeën en techniek, natuurkunde, Wetenschap / Door / 27 maart 2017

Glas staat bekend als een zeer breekbaar materiaal. Als vloeibaar glas stolt in de vorm van een druppel met een lange staart, de zogenoemde Prins Rupert-druppel, in Engeland ook wel bekend als ‘Dutch tear’, krijgt het echter bijzondere eigenschappen.

Het is bijvoorbeeld mogelijk, om een harde hamerslag tegen de kop van de druppel te geven, zonder dat deze versplintert. De druppel heeft echter een achilleshiel: het puntje van de staart. Breekt dit af, dan vernietigt de druppel zichzelf.  Al meer dan vier eeuwen fascineert dit bizarre voorwerp wetenschappers.

Enkele Prins Rupert druppels. Bron: Wikipedia
Enkele Prins Rupert druppels. Bron: Wikipedia

Prins Rupert druppels worden gewoonlijk gemaakt door een beetje vloeibaar glas in water te laten druipen. Het glas stolt van buiten naar binnen. Door te stollen krimpt glas. De oppervlakte wordt naar binnen gezogen door het krimpende glas en hiermee op elkaar geperst.  Daardoor ontstaat er binnen de druppel een onderdruk, terwijl aan de oppervlakte juist een overdruk ontstaat.

Hierdoor komen er in de kop van de druppel extreme spanningen te staan, die samen een sterke weerstand bieden tegen uitwendige druk. Wil je zelf Prins Rupert druppels maken, dan is een acetyleenbrander handig – het smeltpunt van glas ligt iets onder de duizend graden. In onderstaande video is er een druk van 20.000 kg, het gewicht van een truck, nodig om dit nietige glasdruppeltje te verpletteren.

Prince Rupert's Drop vs Hydraulic Press [ 4K - Slow Motion ] ( S1 E9 )

In onderstaand filmpje wordt een kogel op de kop van een druppel afgevuurd, gefilmd door een extreem snelle filmcamera (150 000 opnames per seconde). Geloof het of niet, maar de kogel wordt in vele stukken geblazen door de botsing. Het glas blijft nog een fractie va een seconde intact, tot de schokgolf de staart bereikt…

Bullet vs Prince Rupert's Drop at 150,000 fps - Smarter Every Day 165

Dit laat zien dat er in alledaagse materialen vaak opmerkelijke geheimen verscholen liggen. Er zijn waarschijnlijk nog wel de nodige verrassingen te ontdekken.

De nieuwe glassoort bestaat uit aluminium- en tantaaloxide.

Glas ongeveer zo sterk als staal ontwikkeld

2 reacties / Ideeën, Techniek / Door / 6 november 2015

Doorzichtige materialen zijn of erg krasgevoelig, of erg breekbaar. Dit tot frustratie van veel smartphonebezitters. Nu is er eindelijk een materiaal ontwikkeld, dat bijna even sterk is als staal, maar volkomen doorzichtig. Opmerkelijk genoeg: voorspeld in Star Trek…

De nieuwe glassoort bestaat uit aluminium- en tantaaloxide.
De nieuwe glassoort bestaat uit aluminium- en tantaaloxide.

Glassoorten met een hoge elasticiteitsmodulus (in het dagelijks leven beter bekend als: breukvastheid) zijn al jaren erg gewild, omdat ze dezelfde sterkte leveren bij een kleinere dikte. De industrie smeekt om dunner en lichter glas, om deze toe te kunnen passen in ramen, smartphones en substraten voor beeldschermen.

Glas is een doorzichtig, kristalloos mengsel van metaalionen en negatieve ionen (bijvoorbeeld silicaat en oxides). Bij de glasfabricage is het erg belangrijk om te voorkomen dat zich kristallen vormen. Deze maken het glas ondoorzichtig. Kristallen vormen zich als er een condensatiekern aanwezig is. Is er eenmaal een begin van een kristal, dan groeit dit razendsnel.

Helaas blijkt bij glassoorten met sterk geladen ionen, zoals aluminium (3+) en tantaal (5+), dat  er erg weinig nodig is om de kristalvorming op gang te brengen. In feite blijkt elk type container dit glas te laten kristalliseren. Jammer, want door die sterk geladen ionen wordt de ionbinding, en dus het glas nu juist erg sterk.  Ten einde raad greep een groep Japanse onderzoekers naar een radicale methode. In hun nieuwe productieproces zweeft het glas, met 54% aluminiumoxide en 46% tantaaloxide, in de lucht met aerodynamische levitatie (luchtstroom) en worden lasers als roerlepels gebruikt. Het resulterende glas bleek erg mooi: kleurloos en transparant voor licht en heeft ook erg goede optische eigenschappen. Tantaal is een zwaar atoom, waardoor het glas erg zwaar is en een hoge brekingsindex heeft (1,94). Ook de combinatie van hardheidseigenschappen is erg mooi: de elasticiteitsmodulus (een maat voor de treksterkte) is bijna even groot als die van staal en de Vickers hardheid (maat voor onder meer de krasgevoeligheid) ongeveer een derde.

Aluminium is overvloedig aanwezig, maar tantaal is erg schaars. In het universum zelfs schaarser dan goud. De winning van het tantaal-houdende erts coltan (tantaliet) in de Democratische Republiek Congo (het vroegere Zaire) en andere Afrikaanse landen, de voornaamste bronnen, is erg omstreden, omdat dit vaak onder erbarmelijke omstandigheden door dwangarbeiders gebeurt. Door deze ontdekking zal deze ellende vermoedelijk flink toenemen.

Bron
Gustavo A. Rosales-Sosa et al. High Elastic Moduli of a 54Al2O3-46Ta2O5 Glass Fabricated via Containerless Processing, Scientific Reports (2015). DOI: 10.1038/srep15233

Architect Philip Johnson ontwierp dit glazen huis. Alleen de badkamer is niet doorzichtig.

Wonen in een glazen huis

7 reacties / Ideeën en techniek / Door / 25 juni 2011

Hoe zou het zijn om te wonen in een huis dat alleen maar doorzichtige wanden kent? Nauwelijks privacy meer maar wel een geweldig uitzicht.

Architect Philip Johnson ontwierp dit glazen huis. Alleen de badkamer is niet doorzichtig.
Architect Philip Johnson ontwierp dit glazen huis. Alleen de badkamer is niet doorzichtig.

We schreven al over het Glazen Huis, maar hoe zit het met echte glazen huizen? De eerste huizen die bijna helemaal uit glas bestaan dateren al uit de eerste helft van de twintigste eeuw. Zo is er het Philip Johnson Glass House, in 1949 ontworpen door de gelijknamige Amerikaanse architect dat een verrassend futuristische indruk maakt. Alleen de badkamer bestaat uit een ondoorzichtige cilinder van baksteen. Het is duidelijk dat dit huis op een privélandgoed in New Canaan, Connecticut staat [1].

Sinds 1949 is de materiaaltechniek natuurlijk behoorlijk gevorderd. Transparante materialen zoals polycarbonaat zijn extreem sterk, sterker zelfs nog dan beton en baksteen. Je kon er dus op wachten dat een moderne architect de uitdaging aannam. En inderdaad, in dit glazen huis is werkelijk alles transparant [2].

Het uitzicht is werkelijk fenomenaal als je wakker wordt. Maar helaas ook als je romantische plannen hebt met je geliefde...
Het uitzicht is werkelijk fenomenaal als je wakker wordt. Maar helaas ook als je romantische plannen hebt met je geliefde...

Bronnen
1. Extending the Legacy, Metropolis Magazine, 2006
2. Asiantown.net blog

Van glassmeltovens zijn we voorlopig nog niet af. Toch zijn er voldoende goede toepassingen te bedenken voor kwantumglas.

Glas smelt bij het absolute nulpunt

21 reacties / Wetenschap / Door / 4 februari 2011

Onderzoekers van de Tel Aviv Universiteit denken op grond van een berekening dat het mogelijk is om met het nulpuntsenergie-effect  glas te doen smelten bij nul kelvin. Gewoonlijk vereist het smelten van glas temperaturen van vele honderden graden. Wat is hier aan de hand?

Wat is glas?
Vensterglas is de bekendste vertegenwoordiger van een groep stoffen die alle hetzelfde kenmerk gemeen hebben: het zijn als het ware bevroren vloeistoffen.

Glas is in feite een gestolde vloeistof.
Glas is in feite een gestolde vloeistof.

De atomen in een glas zitten niet in een kristalrooster, zoals andere vaste stoffen, maar liggen lukraak door elkaar heen, zo sterk afgekoeld dat ze in hun beweging zijn bevroren. Stoffen met een dergelijke structuur worden dan ook glazen genoemd.

Ook water kan een glas vormen als het extreem snel wordt ingevroren. Bij het invriezen van menselijke weefsels gebeurt dat. Als het invriezen langzamer gaat, vormen zich namelijk ijskristallen die de celwanden lek prikken.

Dus in feite zitten er plakken stroperige vloeistof in je ramen. (OK, het verhaal is iets ingewikkelder). Vroeger werd gedacht dat de verdikking die je in veel middeleeuwse ruiten onder aantreft een gevolg is van het langzaam stromen van glas, maar nu weten we dat de viscositeit (stroperigheid) van glas op kamertemperatuur zo extreem hoog is dat dit effect pas na vele miljoenen tot miljarden jaren merkbaar is. Laten we hopen dat de mensheid het zo lang uithoudt…

Nulpuntsenergie
Er bestaat in de natuur een fundamentele onzekerheid, de onzekerheidsrelatie van Heisenberg. We kunnen bijvoorbeeld niet tegelijkertijd de plaats en de snelheid van een deeltje exact weten. De onzekerheid is altijd groter dan de constante van Planck, 6,26 * 10-34 Joule seconde. Dit ligt niet aan onze slechte instrumenten, integendeel. Deze onzekerheidsrelatie is misschien wel het fundamenteelste wat we in de natuur kennen.

Hoe extreem klein deze waarde ook is, op een miljoenste graad kelvin boven het absolute nulpunt gaat dit effect een enorme rol spelen. We weten bij deze temperatuur de energie van een atoom heel precies, namelijk ongeveer nul. De ijzeren onzekerheidsrelatie van Heisenberg dicteert nu dat de plaats van het atoom erg onzeker wordt. Het atoom verandert in een wazige wolk die steeds meer naburige atomen gaat overlappen. Wat eerst een bevroren vloeistof was gaat daardoor steeds meer lijken op een echte vloeistof. En dit is precies wat het team onderzoekers van de Tel Aviv universiteit stelt.

Van glassmeltovens zijn we voorlopig nog niet af. Toch zijn er voldoende goede toepassingen te bedenken voor kwantumglas.
Van glassmeltovens zijn we voorlopig nog niet af. Toch zijn er voldoende goede toepassingen te bedenken voor kwantumglas.

Kunnen smeltovens afgeschaft worden?
Helaas. De grondstoffen voor glazen bestaan uit kristalvormende vaste stoffen. De bindingsenergie van kristallen, zeker die in de uitgangsstoffen voor vensterglas, is meestal enorm hoog. Die kan alleen verbroken worden door ze voldoende te verhitten, in het geval van silicaatglas (vensterglas) aanmerkelijk boven de duizend graden Celsius. Koelen helpt hier niet.

Wel is voor glasbewerking deze techniek heel interessant. Als het belangrijk is een glasoppervlak heel precies te hechten aan een ander materiaal bijvoorbeeld. Het kwantumglas kruipt dan in alle holtes. Dit is vooral interessant voor zeer gevoelige materialen die verhitting niet overleven. Je zou bij wijze van spreken een levend wezen in glas kunnen inbedden. Kortom: een heel nieuw technisch domein waaruit wel eens producten voort kunnen komen die we ons eerder nog niet voor konden stellen…