



ガラスとは:構造と組成
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炎の前に、素材がある。ガラスは硬質でありながら壊れやすく、砂から作られ、炎によって生まれる。この最初の記事では、ガラスを構成する原子や、それらが結合する理由といった、素材よりも小さな視点から始める。そして、ガラスの実際とは何か、主なガラス組成とそれらがどのように組み合わさっているのかを見ていく。
ガラスの前に:原子とバランスの必要性
原子の中
ガラスを構成するあらゆるもの、すなわち砂、ソーダ、ホウ素、着色金属は、原子でできている。原子には、原子核と呼ばれる小さくて重い中心があり、そこには2種類の粒子が構成されている。正の電荷を持つ陽子と、電荷を持たない中性子である。原子核の周りには、はるかに軽く負の電荷を持つ電子が動いている。
- 陽子が、その元素が何であるかを決定する。陽子が8個ある原子はすべて酸素、14個ならケイ素、5個ならホウ素、27個ならコバルトである。
- 中性子は質量を加え、原子核をまとめるのを助ける。同じ元素の原子でも中性子の数が異なると同位体と呼ばれ、化学的にはほぼ同じように振る舞う。
- 電子が、原子の振る舞いを決定する。どの原子と結合するか、どのくらいの強さで結合するか、そして光とどのように相互作用するかである。
中性原子は陽子の数と同じ数の電子を持ち、電荷は相殺される。電子は原子核の周りに殻を形成して配置され、そのうち最も外側にある最外殻だけが結合に関与する。
原子が結合する理由
原子は最外殻が満たされているときに最も安定する。ガラスに含まれる軽い元素の場合、それは8個の電子を意味する。最初からその状態にある原子はごくわずかである。ネオンやアルゴンなどの希ガスはそうであり、そのためほとんど何とも反応しない。他のすべての原子は、ある意味でバランスを欠いており、隣り合う原子と電子を与え、受け取り、あるいは共有することでバランスを見出す。そのやり取りが化学結合である。
- 共有(共有結合):2つの原子がそれぞれ電子を出し合い、両方に属する共有電子対を形成する。ケイ素は外側に4個、酸素は6個の電子を持つ。共有することで、それらは互いを強く引き合う。
- 与えて受け取る(イオン結合):ナトリウム、カリウム、カルシウムなど、外側の電子を容易に手放す原子もあれば、特に酸素のように電子を引き寄せる原子もある。電子を失った原子は正のイオンになり、得た原子は負のイオンになる。そして、反対の電荷は引き合う。
実際の結合のほとんどは、その2つの間のどこかに位置する。ケイ素と酸素の結合は、一部が共有で一部がイオン結合であり、地殻の鉱物の中でも最も強い結合の一つである。
原子からガラスへ
このバランスへの探求こそがガラスを形成する。ケイ素原子1つは4つの酸素と結合し、酸素1つは2つのケイ素を橋渡しできるため、原子は以下で説明する連続的なネットワークへとつながる。融剤として加えられたナトリウムとカルシウムは、外側の電子を酸素に与えて正イオンになる。それらは酸素の橋を一部壊し、隙間に収まる。共有電子ではなく、引き合う力によって保持される。橋が少なくなれば、より低い温度で柔らかくなるネットワークになる。外側に3個の電子を持つホウ素は、独自のやり方でネットワークに加わり、異なる形状の単位を形成する。
ガラスが色を持つ理由でもある。コバルト、銅、鉄などの金属は、電子の一部を酸素に与えてイオンとしてガラスに入る。与えた電子の数はその酸化状態であり、残った電子は特定のエネルギー準位に位置する。光が通過するとき、それらの電子は準位間のエネルギーギャップに一致するエネルギーを持つ色を吸収し、残りの光を通過させる。酸素が豊富な炎、あるいは燃料が豊富な炎で電子の数を変えれば、色も変わる。Cu²⁺としての銅はターコイズ色だが、中性原子に還元されて微粒子に集まった銅はルビーレッドになる。酸化とはまさにこのことである。電子が一方の原子から他方の原子へ移動することである。ガラスの色では、金属ごとにそれを追っていく。
非晶質固体
構造
ガラスは、石英を形成するのと同じ化合物である二酸化ケイ素(SiO2)を多く含む砂から作られる。ガラスが石英と同じ化学化合物から作られているにもかかわらず、その内部構造は大きく異なる。
ガラスは非晶質固体である。
これは、ガラスが固体であることを意味するが、その原子は繰り返しのパターンには並んでいない。その構造は、熱い液体が冷えて固まる際に決定する。
- 結晶化:原子が規則的で繰り返しのパターンに整列する。例:塩、石英、ダイヤモンド。
- 無秩序な凍結:原子はつながったままだが、規則的なパターンを持たない。これは、冷却によって原子の整列が妨げられるときに起こる。原子は再配置する時間がなく、無秩序な構造のまま残される。結合は存在するが、パターンがないだけである。例:ガラス。
ガラスは単に「急速に冷却された石英」ではない。ガラスのレシピには、結晶化を困難にする材料が含まれている。ナトリウムとカルシウムはケイ素ネットワークを壊し、ホウ素はネットワークに加わるが、異なる形状の単位からそれを構築する。いずれにせよ、ネットワークは対称性を失い、規則的なパターンが形成されにくくなり、ガラスは非晶質のままでいることを好む。
ホウケイ酸ガラスの棒を炎で加熱すると、このネットワークの結合はますます速く壊れては再形成され、ガラスは流れる。固体と同じくらい無秩序な、厚い液体になる。冷えるにつれて動きは遅くなり、やがせて無秩序な状態が固定され、再び非晶質固体となる。
私は彼女を、行きたい場所にほとんどたどり着きながらも、時間が尽きてしまった人だと考えているのが好きだ。どこへでも遅れて到着し、最終列車を逃し、締め切りを逃し、死ぬまで努力するような人だ。彼女は自分自身の遅さを受け入れているが、その遅れを自分以外には決して許さない。肌を通り抜ける。液体の容器。保持できる。
組成
ほとんどのガラスの主成分は二酸化ケイ素である。上で見たように、ケイ素原子1つは4つの酸素原子と結合して、四面体と呼ばれる小さなピラミッドを形成し、それらの四面体が角を共有して三次元的なネットワークを構築する。このネットワークは非常に強固であり、純粋なシリカが約1,700 °C(3,090 °F)以上でしか溶けない理由である。ガラス職人は、3つの系統の他の酸化物を加える。
- ネットワーク形成剤がネットワークを構築する:シリカ(SiO2)、酸化ホウ素(B2O3)、五酸化リン(P2O5)。
- ネットワーク修飾剤はネットワークを部分的に壊し、融点を下げる:ナトリウム(Na2O)、カリウム(K2O)、カルシウム(CaO)。
- 中間剤、例えば酸化アルミニウム(Al2O3)は、ネットワークを強化し、水や化学物質に対する耐性を向上させる。
修飾剤がネットワークを壊すことで、より開いた不規則な構造が残り、その開放性こそが、ガラスが着色金属を含む他の元素を取り込むことを可能にする。したがって、ガラスとは、原子、イオン、あるいは粒子をさまざまな形で「閉じ込める」ことができる、無秩序なネットワークである。そのため、ガラスは以下が可能になる。
- 金属をイオンとして溶解させる → 透明な色
- 微細な金属粒子を形成する → 鮮やかな色
- 微細な結晶を形成する → 不透明さ
これらそれぞれがどのように機能するかは、ガラスの色のテーマである。
脱ガラス化
ガラスは長時間高温に保たれたり、結晶の核となる不純物を含んでいたりすると、結晶化することがある。時間と温度が原子に再編成の機会を与える。これはガラスを作る原理とはまさに逆である。これは脱ガラス化と呼ばれ、通常は表面に小さな結晶が形成される。ガラス職人はそれをデビットと呼ぶ。それは鈍く霜がかった肌として現れ、滑らかに溶けることはなく、ガラスを弱らせる。
トーチ作業では、通常の原因は、ある箇所を長く加熱しすぎたり、何度も繰り返し加熱し直したり、棒に汚れや残渣が付着したりすることである。清潔なガラスと効率的な加熱が最善の予防策である。ある色は他の色よりもデビットを起こしやすい。
固体、液体、あるいはその中間か?
ガラス転移
氷のような結晶には明確な融点がある。0 °Cでは固体であり、その瞬間には水になる。ガラスには単一の融点はない。溶融状態から冷えるにつれて、単にどんどん硬くなる。この硬さはその粘性であり、流れることへの抵抗であり、サラサラした溶融状態と硬い棒の間で、その値は多くの桁数分上昇する。
ガラス形成融液は、結晶化する「はず」の点を通り過ぎても結晶化せずに冷却される。しばらくの間、それらは過冷却液体である。まだ流れることも再配置することもできる。冷却を続けると、原子の動きは最終的に非常に遅くなり、その配置が固定される。これが起こる温度領域がガラス転移であり、Tgと表記される。それ以下では、素材はガラスになる。液体の無秩序さが凍結した固体である。
ガラス転移は明確な線ではなく範囲であり、ガラスの冷却速度によってわずかに変化する。実験室用のホウケイ酸ガラスでは、約525 °Cである。それはアニーリング範囲の近くに位置する。これは、完成した作品をキルンに入れ、作業中に凍結した応力を緩和してから室温までゆっくり冷やす範囲である。アニーリングについては、仕上げ、結合、トラブルシューティングで扱っている。
流れる窓の神話
よく知られた話では、ガラスは「実際には液体」であり、古い教会の窓は、何世紀にもわたってガラスが流れ落ちたために下部が厚くなっているという。それは真実ではない。
- 室温では、ガラスはガラス転移温度をはるかに下回っている。コニングの研究者たちはウェストミンスター寺院の中世のガラスの粘性を測定し、10億年で約1ナノメートルしか流れないと計算した。
- 不均一なガラス板は、その製造方法に由来する。初期の窓ガラスの多くは吹きガラスで作られ、中心部が縁よりも厚い平らな円盤状に回転成形されていたため、そこから切り出されたガラス板は厚さが異なり、ガラス職人は重い縁を下側にセットする傾向があった。
- もしガラスが流れるなら、古代ローマのガラスはとっくに形が崩れていたはずだ。そうはなっていない。
ガラスは、固体のように硬く、液体のように無秩序な、非晶質固体として説明するのが最も適切である。
ガラス組成と適合性
ガラス棒やガラス管は、多くの色やサイズで販売されている。始めたばかりなら、基本的な技術を学ぶために透明または単色の棒から始める。これらが主なガラス組成と、その用途である。
- ソーダ石灰ガラス(おおよそ70~74%のSiO2にNa2OとCaO)。最も一般的なガラス:ボトル、ジャー、窓。安価で溶かしやすいが、加熱すると大きく膨張するため、急激な温度変化で簡単にひび割れを起こし、ホウケイ酸ガラスよりも化学的な耐久性が低い。
- ソフトガラスは、ランプワーカーがトーチ作業用に作られたソーダ石灰ガラスタイプのガラスを呼ぶ名称であり、EffetreやMorettiとして販売されているイタリア製の棒(COEは約104)などがこれにあたる。ホウケイ酸ガラスよりも低い温度で作業可能になり(Effetreの記載されている作業温度は約945 °C、1,733 °F)、金属も容易に溶解するため、その色の範囲は非常に広い。熱衝撃を起こしやすく、炎に徐々に温めなければならない。ビーズによく使われる。キルン融合ガラスは関連する系統であり、COE 90やCOE 96のように適合する範囲で販売されている。
- ホウケイ酸ガラス(約80%のSiO2、13%のB2O3、4%のNa2O、2%のAl2O3)。酸化ホウ素がソーダと石灰の多くを置き換え、熱膨張率が非常に低い密なネットワークを形成するため、熱衝撃と化学的な攻撃に耐える。実験室用ガラス器具、オーブンウェア、彫刻、ジュエリーに使用される。Rain and Riversのジュエリーに使われているガラスである。
- 鉛ガラス(SiO2に酸化鉛、PbO)。鉛は屈折率を高め、ガラスを輝かせ、カットや彫刻を容易にする。これは伝統的な「クリスタル」ワイングラスのガラスである。欧州連合では、「鉛クリスタル」は少なくとも24%のPbOを含まなければならない。ガラスを「クリスタル」と呼ぶことは、規則的な原子構造を持っていることを意味するのではなく、歴史的な名称である。
- アルミノシリケートガラス(SiO2に高比率のAl2O3)。非常に強固で耐熱性に優れる。スマートフォンのカバーガラスのほとんどは、化学強化されたアルカリアルミノシリケートである。溶けたカリウム塩の浴槽で、表面の小さなナトリウムイオンが大きなカリウムイオンに置き換わり、圧縮状態に押し込まれることでひび割れに耐える。
- 純シリカガラス、あるいは溶融シリカ(SiO2のみ)。一般的なガラスの中で最も膨張率が低く、極めて耐熱性に優れる。光学や科学分野で使用される。
- リン酸ガラス(シリカではなくP2O5をベースとする)。ネオジウムを添加し、高出力レーザーに使用される。
- フッ化物およびカルコゲナイドガラス(酸化物の代わりにフッ化物、あるいは硫黄、セレン、テルル)。赤外線用:特殊な光ファイバーや熱画像レンズに使用される。
適合性
すべてのガラスは加熱されると膨張し、冷却されると収縮するが、組成ごとにその量は異なる。2つのガラスを結合したときに収縮率が異なると、一方が他方を引っ張り、内部応力が生じ、遅かれ早かれひび割れを起こす。トーチ作業中に起こることもあれば、数日後に起こることもある。
この動きは熱膨張係数、COEとして測定される。「COE 33」は略記であり、ガラスは1摂氏度ごとにその長さの33 × 10−7だけ伸びる(20~300 °Cの間で測定)。データシートでは同じ値を3.3 × 10−6ケルビンあたりと記載している。数値が低いほど、ガラスの動きは少なくなり、急激な温度変化に耐えやすくなる。
| ガラス | 一般的なCOE(× 10−7/°C) | 主な用途 |
|---|---|---|
| 溶融シリカ | 約5 | 光学、実験器具 |
| ホウケイ酸ガラス | 32–33 | 実験室用ガラス、オーブンウェア、トーチ作業による彫刻とジュエリー |
| 窓ガラスとボトルガラス | 約85–90 | 一般的なソーダ石灰ガラス |
| 融合ガラス | 90または96 | キルン成形ガラス |
| イタリア製ソフトガラス(Effetre/Moretti) | 約104 | ランプワークビーズ |
実用的な「ルール」はここから導かれる。
- 異なるCOE系統のガラスを混ぜてはいけない。ホウケイ酸ガラスとソフトガラスはくっついたままにはならないし、COE 90とCOE 96の融合ガラスも同様である。とはいえ、「ルール」ではあるが、私の実践は非常に実験的であり、何が起こるかを見るためにガラスを包み込むことを楽しんでいる。
- 同じ系統内では、そのシステム向けに販売されている棒、着色ガラス、フリット、ストリンガーを使用する。ホウケイ酸ガラスの場合、それはCOE 33の透明ガラスと適合するように作られた着色ガラスを意味する。
- 一致する数値は強力な目安であるが、保証ではない。ガラスは粘性も異なるため、同じCOEとして販売されている2つのガラスであっても、時々合わないことがある。「適合テスト済み」の範囲は、製造業者によって確認されている。
適合性をテストする方法
- ストリンガー(プル)テスト。2本の棒の先端を横に並べて溶かし、結合したガラスを細い糸状に引き伸ばして冷やす。糸がまっすぐなままであれば、ガラス同士は適合している。曲がっていれば適合していない。曲がりが強いほど、不適合が大きい。
- 偏光顕微鏡。自分のシステムの透明ガラスに小さなテスト片を結合し、アニーリングして、光を背後に置き、2つの交差した偏光フィルターの間で観察する。応力は結合部の周りに明るいハローとして現れる。適合し、適切にアニーリングされた作品は穏やかに見える。同じ確認方法で、完成した作品が適切にアニーリングされているかを知ることができる。
ホウケイ酸ガラスを理解する
ホウケイ酸ガラスは、複雑で頑丈な作品を作るためのプロのランプワーカーのお気に入りである。オットー・ショットのイェーナの研究所からスタジオに至るその歴史は、ガラスとランプワークの歴史で語られている。
高い耐熱性
ホウケイ酸ガラスは熱膨張係数が低く(COE 33)、ソフトガラスの約3分の1であり、そのため熱衝撃に強い。炎の中に出入りでき、厚い部分と薄い部分が隣り合っていても、すぐにひび割れることなく作業できるため、より大きく複雑な作品に取り組むことができる。また、成形するにはより多くの熱が必要である。実験室用ホウケイ酸ガラスのデータシートには、以下の基準点が記載されている。
| ポイント | 温度 | 意味 |
|---|---|---|
| 作業点 | 約1,260 °C(2,300 °F) | 成形や吹きガラスをするのに十分柔らかい |
| 軟化点 | 約825 °C(1,515 °F) | 自重でたわみ始める |
| アニーリング点 | 約560 °C(1,040 °F) | 内部応力が数分以内に緩和される |
| ガラス転移 | 約525 °C(980 °F) | これ以下では、構造が固定される |
着色ガラスはわずかに異なるため、ガラスサプライヤーが推奨するアニーリングスケジュールに従う。ホウケイ酸ガラスは通常、燃料ガスと酸素を供給するトーチで作業するが、それ自体に独自の安全要件がある。スタジオを参照。
精密な作業
ホウケイ酸ガラスは繰り返し加熱に耐え、熱したときに軟質ガラスよりも硬いため、薄い部分でも置いた場所で形を保てます。動きがゆっくりしているため、忍耐と正確なトーチ操作が求められます。これは、ねじりケーンや繊細な中空フォルムなどの薄く複雑な構造、そして毎日身につけるジュエリーに適しています。
ホウケイ酸ガラスがジュエリーに適している理由
- 耐熱衝撃性。 ペンダントは温かい手から冷たい空気へ移っても割れることはありません。
- 化学的耐久性。 水、汗、石鹸、ほとんどの日常的な化学物質に強く、表面が透明で明るい状態を保てます。
- 薄いフォルムでの強度。 適切にアニーリングすれば、細くて軽く、そのサイズにしては丈夫な作品になります。とはいえ、それでもガラスです。石の上に落とせば割れることもあります。手入れが必要です。
カラーとフリット
ガラスを組み合わせたり色を加えたりするときは、ストレスクラックを防ぐために必ずCOEを考慮してください。ホウケイ酸ガラスは、専用に作られたカラーやフリットとしか使えないため、COE 33用の素材を選び、見慣れないカラーは完成品に使用する前にテストしてください。
ガラスとは何かを知ったところで、次の記事では、メソポタミアの最初のビーズからトーチまで、その長い歴史を辿ります:ガラスとランプワークの歴史。
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01What kind of solid is glass?
Its atoms are bonded together but not arranged in a repeating pattern: the disorder of a liquid, frozen in place.
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02What is the main component of most glass?
Silica forms a network of linked tetrahedra. It is the same compound that forms quartz, arranged without order.
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03Why do glassmakers add network modifiers such as sodium and calcium?
Pure silica only melts above about 1,700 °C. Modifiers open up the network so the glass melts and works at lower temperatures.
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04What is devitrification?
Too much time at heat, or dirt on the rod, lets crystals start to grow. Glassworkers call it devit.
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05Why are some old church windows thicker at the bottom?
At room temperature glass is far below its glass transition. Medieval glass would flow about a nanometre in a billion years.
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06What is the typical COE of borosilicate glass?
COE 33 means it grows 33 × 10⁻⁷ of its length per °C: about a third of soft glass, which is why it resists thermal shock.
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07What happens when two glasses with very different COE are fused?
One glass pulls against the other as it shrinks. Annealing cannot fix a mismatch in expansion.
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08What is "soft glass" in lampworking?
Soft glass works at lower temperatures and has a wide colour range, but it expands far more than borosilicate.
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09In the stringer pull test, what does a curved thread tell you?
A straight thread means the glasses agree. The stronger the curve, the bigger the mismatch.
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10Which pair of qualities makes borosilicate well suited to jewelry?
It survives temperature changes and resists water, sweat and soap. It is still glass, though: she asks for care.
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