Всі знають, що основний недолік багатьох стекол - їх крихкість. Величезна маса скляних виробів щодня перетворюється на скляний бій.

Крім економічних збитків, розбите скло становить небезпеку, оскільки свіжий скол скла дуже гострий. Недарма щойно надламану пластинку скла можна використовувати як ріжучий інструмент у мікротомі — приладі, що робить найтонші зрізи біопрепаратів для біологічних досліджень. Але виявляється, скло можна зробити не тільки дуже міцним, але і таким, що не дає гострих уламків.

Ця історія почалася давно – у XVII столітті. Англійський принц Руперт (повний титул - пфальцграф Рейнський, герцог Баварський) мав усі шанси зробити блискучу військову кар'єру. Але, залишивши військову службу, він присвятив останні роки свого життя мистецтву та науці. Одне з його відкриттів – загартоване скло. Що це таке?

Всі знають, що буває, коли в графін або грановану склянку з товстого скла наливають окроп: скло лопається. Це тому, що скло — дуже поганий провідник тепла; воно прогрівається у сотні разів повільніше, ніж, наприклад, мідь. Тому коли внутрішня частина склянки вже гаряча, зовнішні шари ще холодні. В результаті теплового розширення зовнішня частина виробу зазнає величезних навантажень, які воно часто не витримує. Щоб товстостінні скляні вироби не руйнувалися, слід нагрівати (і охолоджувати) повільно. Тим більше це стосується виготовлення різних скляних виробів: після формування з напіврідкої скляної маси їх охолоджують до кімнатної температури дуже повільно. Робиться це у спеціальних печах, у яких температура знижується протягом багатьох годин. Ця процедура називається відпалом, а отриманий таким чином виріб відпаленим.

У погано відпаленому склі залишаються внутрішні напруги, які ніяк не змінюють його зовнішній вигляд (вони видно тільки в поляризованому світлі), але сильно погіршують механічні властивості. Ця напруга часто концентрується на краях, потовщених частинах виробів. У листовому склі вони можуть слідувати одне за одним, утворюючи ланцюжок. Таке скло дуже важко відрізати по прямій лінії: нерівномірно розподілені напруги відводять тріщину у бік від нанесеної алмазом подряпини.

Але відпалити скло — лише півсправи. Поверхня навіть добре відпаленого скла, як правило, ослаблена безліччю найдрібніших тріщин, подряпин, які можуть бути не видно неозброєним оком. Особливо небезпечні мікротріщини на краях скляних виробів. Саме з них і починається руйнація. Під навантаженням на кінцях тріщин концентруються дуже великі напруги; тріщина збільшується і, зрештою, прорізає весь виріб - воно розколюється на частини. Якщо будь-яким способом «залікувати» поверхню скла, зробити її дуже рівною та гладкою, то таке скло стане набагато міцнішим. Зробити це можна, наприклад, хімічним травленням поверхні. Якщо звичайне шибку опустити на кілька хвилин в суміш фтороводородной (плавикової) і сірчаної кислот, то з його поверхні буде стравлений шар товщиною до 0,1 мм. Оксид кремнію зі складу скла при цьому перетворюється на розчинний фторосиликат.

Щоб оброблене таким чином скло знову не покрилося тріщинами та подряпинами через попадання на нього пилу, а також для захисту від атмосферної вологи (вона теж знижує міцність скла), його поверхню після сушіння покривають захисною плівкою з кремнійорганічних сполук. Частково «залікувати» тріщини в щойно купленій склянці можна і в домашніх умовах. Для цього його треба обережно нагріти у воді до кипіння і продовжувати кип'ятіння ще хвилин десять. Така склянка житиме довше.

У промисловості для зміцнення скла його загартовують. Загартування здійснюють шляхом різкого охолодження гарячого скла. Подивимося, що буде, якщо розплавлене скло вилити у холодну воду. Якщо лити його потроху окремими краплями, то вони не розтріскуються і після охолодження залишаються цілими. Якщо скло нагріте до дуже високої температури (коли воно зовсім рідке), то при падінні у воду крапельки скла з досить великої висоти вона перетворюється майже на ідеальну кульку. Якщо ж кінчик скляної палички розплавити на звичайному пальнику, яким користуються склодуви, то утворюється досить в'язка крапля, яка нехотячи відривається від палички і при цьому тягне за собою скляну нитку. При попаданні в холодну воду така крапля набуває форми сльози з довгим хвостиком. При вході у воду швидкість падіння краплі різко уповільнюється, тоді як її напіврідкий хвіст продовжує рухатися з колишньою швидкістю. В результаті хвостик у застиглої краплі виходить у вигляді змійки. Саме такі краплі отримав уперше принц Руперт, тому вони названі його ім'ям (інша назва – батавські сльози).

Те, що сльози залишаються цілими, — далеко не найдивовижніша їхня властивість. Вони виключно міцні: витримують сильні удари молотком по товстій грушоподібній частині. Але є у сльози ахіллесова п'ята: варто надламати її тонкий хвостик ближче до основи, як уся крапля з тріском розсипається на дрібні шматочки. Якщо проводити цей експеримент у темряві, то іноді видно свічення. Розсипання сліз може відбуватися з такою силою, що, якщо проводити досвід у склянці з водою, він розбивається, як при вибуху!

Щоб пояснити незвичайні властивості сльоз, розглянемо докладніше процес їх утворення. При охолодженні краплі виникають сили, які тягнуть зовнішній шар усередину, створюючи у ньому напруги стискування, а внутрішнє ядро ​​— назовні, створюючи у ньому напруження розтягування. Відпал (тривалий нагрівання при 100оС) призводить до зняття напруги, так як при підвищених температурах частинки скла набувають рухливість і переходять на свої «зручні» місця.

Описані властивості «рупертових сліз» притаманні більшою чи меншою мірою всім скляним виробам, які не пройшли відпал. Таке скло називається загартованим. Болонські склодуви, наприклад, виготовляли круглі судини з товстим дном, які швидко охолоджували на повітрі. Ці судини (їх називали болонськими склянками) витримували сильні удари без руйнації. Але вже незначні пошкодження внутрішньої частини, наприклад подряпини, призводили до розриву судини на частини.

Висока міцність загартованого скла широко використовується практично. Якщо напруги створюються у склі спрямовано та рівномірно, то вони значною мірою зміцнюють його. Щоб зрозуміти, чому це можливо, розглянемо лист швидко охолодженого з обох боків скла.

Як і у випадку кульки, зовнішні шари такого скла будуть відчувати сильний стиск, який у міру просування всередину листа спочатку зменшується, а потім переходить у напругу розтягування - воно максимально в центрі, як це показано на малюнку. Розподіл напруги в нижній половині листа дзеркально повторює картину у верхній частині.

Розглянемо тепер, як поводитиметься під навантаженням звичайне скло. Покладемо лист скла на дві опори і натискаємо зверху. Верхня вигнута частина скла відчуватиме стиснення, а нижня частина - розтяг. Очевидно, що максимальні навантаження припадають на зовнішні шари — а вони якраз і найслабші — з причин, про які йшлося вище. При цьому скло почне руйнуватися знизу, тому що стиснення воно витримує в десять разів краще, ніж розтягування, як і інші матеріали.

Виконаємо ту ж операцію із загартованим склом. Тут механічне навантаження, що додається, призведе до напруг, які будуть накладатися на вже наявні в склі. Здавалося б, це має лише погіршити справу. Справді, у верхній частині скла сумарна напруга стиснення ще більше зросте. Але далі складання напруг призведе до того, що найбільш небезпечні напруження розтягування будуть максимальними десь усередині листа, тоді як поблизу нижньої поверхні напруги можуть виявитися дуже малими. Отже, під впливом згинального зусилля загартоване скло відчуває у порівнянні з відпаленим склом більший стиск у верхньому шарі та менший розтяг у нижньому шарі. В результаті на лист загартованого скла, що лежить на двох опорах, можуть стати кілька людей - лист прогнеться в 4-5 разів сильніше, ніж звичайне скло, але не зламається! Загартоване скло значно перевершує звичайне і за термічними навантаженнями - воно витримує перепади температур до 270оС, тоді як звичайне розтріскується вже при швидкій зміні температури на 70оС.

Досліди щодо отримання промислового загартованого скла почали проводити в останній чверті ХІХ століття. Винахідником особливого «твердого скла» вважається італієць де ла Басті. Скляні вироби, нагріті до червоного гартування, але не втратили своєї форми, він занурював у ванну із сумішшю розплавленого жиру та олії, змішаних у певній пропорції. Таку суміш можна було нагріти до потрібної температури (зазвичай від 150 до 300оС) і таким чином регулювати швидкість охолодження, залежно від складу скла, форми виробу та його розмірів. Випробовувалися й інші способи загартування - в розплавленому парафіні при 200оС, перегрітим водяною парою, охолодження листового скла здавлюванням між холодними металевими (або металевою та глиняною) пластинами. Такі досліди, зокрема, проводив німець Ф. О. Шотт, який у 1886 році заснував знаменитий скляний завод (шоттовське скло і досі відоме у всьому світі; з нього роблять і лабораторний посуд високої якості). Відрізнити загартоване скло від простого можна за його оптичними властивостями: загартоване скло має подвійне променезаломлення і в поляризованому світлі здаватиметься забарвленим.

В даний час загартоване скло виробляють у великій кількості. Для гарту листового скла його нагрівають до 600-650оС і потім швидко охолоджують шляхом рівномірного обдування повітрям на спеціальній решітці. Таке скло за своїми термічними та механічними властивостями значно перевершує звичайне. Наприклад, листове відпалене скло товщиною 5-6 мм витримує без руйнування удар сталевої кулі масою 800 г при його падінні з висоти не більше 15 см. Якщо ж це скло загартувати, воно вже зможе витримати без руйнування удар аналогічної кулі при його падінні з висоти 120 см! Міцність на вигин у загартованого скла теж у 4-5 разів вища, ніж у звичайного. Таке скло, що «не б'ється», застосовують для скління вагонів, автомобілів, літаків і т. д. Головна його особливість у тому, що при аварії воно не дає великих шматків з дуже гострими краями, які виключно небезпечні, а розсипається на невеликі (приблизно 3-5 мм) шматочки округлої форми без гострих країв. Для ще більшої безпеки переднє скло автомобілів роблять з так званого триплексу: комбінації з двох листів звичайного або загартованого скла, склеєних прозорим та пружним шаром синтетичного полімеру. При ударі осколки такого скла залишаються на місці, оскільки утримуються полімером.