Sklo jako obalový, konstrukční, průmyslový a estetický materiál budoucnosti

Ve 4tisíciletém soužití lidstva s výrobky ze skla, tj. s výrobky tvarovanými z taveniny anorganických látek, docházelo periodicky k poklesu i vzrůstu zájmu o tento materiál. Sklo soutěžilo tradičně s kovy, dřevem, porcelánem, dnes soutěží s plasty, papírem i kovy (ale jinými). Soutěží o přízeň uživatelů, investorů, ekologů i energetiků. Povrchní pozorovatel si klade otázku, zda tento tradiční materiál (obzvláště v Česku) má v našem plastovém století ještě místo. Co je to sklo? Tuto otázku si kladou chemici již sto let. Není to krystal, není to roztok, proto se vžil pojem „přechlazená kapalina“, tj. hmota, která si uchovává vlastnosti taveniny („tekutost“), ale přitom má vlastnosti pevné látky (pevnost). Již z toho je zřejmý metodologický chaos a ten se přenáší na názory na tvar skelné mřížky. Jsou atomy křemíku,vápníku, sodíku a kyslíku uspořádány víceméně náhodně s respektováním jen vazebních úhlů Si-O anebo je tam náznak krystalické struktury známé z přírodních křemičitanů? První názor vyslovil dánský chemik Zachariansen, druhý ruský profesor Lebeděv. A po spuštění železné opony vyznávala každá její strana z principu názor učence, který se narodil na její straně (na té východní straně to bylo samozřejmé). Proto byli čeští vědci v hloubi duše k Lebeděvově teorii skeptičtí. Mřížce to ale bylo jedno a když opět nastala svobodná výměna názorů a objevily se nové metody zkoumání, ukázalo se překvapivě, že Lebeděv byl pravdě blíže. Dnes je moderní mluvit o chaotickém chování skelné mřížky, tedy místy je jakž-takž uspořádána, jinde naprosto nahodilá. Chaos doprovází i tavení skla. Zahřívá-li se tavenina ze spodu (např. elektricky), vyvolává se v ní zcela nevypočitatelné proudění, stejné, které popisují meteorologové při popisu pohybu vzdušné masy nad teplým povrchem Země. Zde se mluví již nahlas o chaosu a bod, kolem kterého se proudění koncentruje, nazývají matematici strange attractor – podivný přitahovač. A zatímco meteorologové již předpovídají počasí alespoň na týden dopředu, budoucnost skla nikdo nepředpovídá. Pokusme se o to. Třetí chaos je způsoben nízkou praktickou pevností skla v tahu. Každému uživateli je známa křehkost skla. Přitom laboratorně lze připravit vlákna s pevností převyšující pevnost oceli (viz tab.). Konstruktéři však používají hodnoty 10- 20krát nižší (tedy příslušně silnější stěnu) aby se ujistili, že součástka vydrží, protože rozptyl měřených hodnot kolem průměru je obrovský. Není tedy v povaze skelné mřížky samotné zakotvena nízká pevnost, ale je to v onom chaosu, který vzniká při chladnutí hotového výrobku po jeho vytvarování z taveniny, tedy – Lebeděvovy „krystality“, moderně nazývané clustery či v Evropě fluktuace a aby se neurážel ženský rod tak „fluktuanti“ způsobují vznik nanotrhlinek při chladnutí, o velikosti 2-10 nm (tj. 10 až 100násobku délky vazeb Si-O). Tyto nanotrhlinky se při zatížení mohou spojit do větších trhlin a dojde k lomu (Griffithovy trhlinky). Protože největší tahové napětí je vždy na povrchu výrobku, začíná lom zde, čemuž přispívá i např. poškrábání povrchu. Carští důstojníci otevírali šampaňské šavlí, ovšem každý má doma nějaký skleněný předmět po předcích, který ne a ne rozbít. Jaké výhody má sklo jako materiál? - průhlednost, snadná barvitelnost, nepropustnost UV záření (uchovává potraviny), propustnost tepelného záření - inertnost (stálost proti vodě, kyselinám) nepropustnost plynů - hygienická nezávadnost (obsahuje jen nezávadné prvky), prošlo ohněm - surovinová dostupnost (taví se z přírodních surovin písku, vápence, dolomitu, živce či znělce), jen alkalie se dodávají průmyslově vyráběnou sodou – i ta se těží v přírodě- throna, nebo potaší – i ta se vyrábí z melasových výpalků, tedy recykluje se zde draslík z průmyslových hnojiv - recyklovatelnost, lze tavit ze vsázky se 100% střepů (kdyby byly), podíl recyklu obalových střepů činí v nejlepších zemích - Švýcarsko,Švédsko -až 96 %, u nás 76 %. Energetická náročnost K roztavení střepů je teoreticky zapotřebí 0,5 kWh/kg. Podle účinnosti s jakou pec pracuje se dociluje spotřeby 0,7 kWh/kg (u celoelektrických pecí), až 1,4 kWh (u plynových pecí) – platí pro velké kontinuální pece. Hledají se cesty jak jednak toto nadbytečné teplo ještě snížit (konstrukcí pece, izolacemi, způsobem ohřevu, regenerací tepla spalin), anebo využít nejen k otopu místností, skleníků, ale i např.k výrobě piva. Kde i tuto malou energii (nejlepší pece docilují stejnou spotřebu/kg skla jako je zapotřebí k usušení 1kg prádla) brát? Chceme-li šetřit fosilní zdroje (produkce CO2 , nedostupnost) lze použít elektrickou energii z vody, větru, Slunce i jádra (návrat k tavení dřevem by byl obtížný). Zbývá tedy vyřešit nízkou pevnost. To si uvědomuje americký sklářský průmysl i university, které už vypsaly studentskou cenu pro nejlepší námět na využití skla o vysoké pevnosti, tedy očekávají že problém s pevností bude vyřešen v krátké době. Také na VŠCHT Praha se zkoumají postupy jak zabránit vzniku těch nepříjemných fluktuací, tím se liší jejich metoda od tradičních, ve světě používaných a zkoušených metod, které se snaží zabránit spojování již vzniklých nanotrhlinek. Pevné sklo umožní používat pro stavební účely tabule tenčí než 1 mm, i lahve podstatně lehčí. než jejich obsah. Ze skla se budou dělat nejen okna, ta budou skutečně neprůstřelná ale i karoserie aut, ta budou skutečně neprůstřelná, takže na státníky a gangstery v limuzínách bude dobře vidět. I motory do aut mohou být skleněné – malá tepelná vodivost skla bude mít nižší tepelné ztráty do okolí. Izolace domů se bude provádět místo polystyrenem skleněnou fólií s uzavřenými bublinkami. její vodivost bude menší než vodivost klidného vzduchu a dům se do této fólie mnohonásobně „zabalí“. Vznikne tak nenasákavá, nehořlavá a ne tlustá vrstva, nevyžadující drahé suroviny. Lze si představit i nosníky ze skla, což ocení architekti, skleněné střechy umožní lépe využívat fotovoltaiku. Sklo se dá dobře tvarovat foukáním, lisováním, tažením, plavením. Tyto kontinuální technologie umožňují vysoce produktivní a lacinou strojní výrobu bez přímé potřeby lidské práce. Tradice českého sklářství, vybudovaná síť škol středních i vysokých, uměleckých i technických, i výzkum v AV ČR dávají naději, že z české laboratoře vyjde toto pevné sklo jako první, a stejně tak výrobek, který dnes vymýšlí američtí studenti dokážou české ruce. Znalost procesu výroby pevného skla bude za pět let výše ceněna než znalost teorie bankovních derivátů, či praxe procesního řízení. Ing Josef Smrček, CSc., tisková komise České sklářské společnosti