Мы живем в эру стекла: без материалов из него сегодня не обходится ни одна отрасль
Были века каменный, бронзовый, железный. Сейчас век современных материалов, в числе которых называют… тот, с которым человечество знакомо несколько тысяч лет. Стекло. Неочевидно, но без стекломатериалов не обходится ни одна отрасль, они входят в Перечень критических технологий РФ. Поговорили об этом исключительном материале с Натальей ТЮРНИНОЙ, заместителем директора Института химии силикатов. Сейчас институт — филиал НИЦ «Курчатовский институт» — ПИЯФ, а стекло — одно из важных направлений исследований этого НИИ.
Сколько дорогих сердцу елочных игрушек и вазочек разбилось… А что если они научатся самовосстанавливаться?/ФОТО Кирилла КУХМАРЯ/ТАСС
— Наталья Геральдовна, кажется, ни один другой материал такого не удостаивался: 2022‑й был провозглашен ООН Годом стекла. Почему такое особое внимание?
— Кстати, в тот год прозвучал тезис: «Мы живем в эру стекла». Из всех материалов этот, пожалуй, претерпел наибольшую трансформацию за тот период, что мы его знаем. А знаем мы его со времен Древнего Египта, когда из стекла делали бусины, а керамические плитки покрывали глазурью — такие использованы, например, в пирамиде Джосера.
ОСК делает ставку на таланты: в Северной столице подвели итоги форума молодых судостроителейПервые стекла были силикатными: их делали на основе песка — самого распространенного и дешевого материала. Значительно позже, в конце XIX века, появились стекла боратные — точнее, боросиликатные. Вместо диоксида кремния в них полностью или частично применяется оксид бора. Такие стекла термостойкие, у них лучше оптические свойства, они более легкоплавкие, то есть проще в изготовлении.
Еще позже появляются стекла безоксидные. Например, халькогенидные — на основе серы, селена, теллура: они используются в том числе в системах ночного видения и световодах.
Да, для большинства стекло — это только лишь окна, лампы, посуда. Но это и стеклогерметики в твердооксидных топливных элементах, выдерживающие температуру 900 градусов, и приборы ночного видения, и экраны гаджетов, и материал для припоя, и оптоволокно. Кстати, «об окнах»: уже десятилетия стекло используется в принципе как основной материал при строительстве. Как говорят, оно стало «кожей» наших зданий и городов.
Если надо захоронить радиоактивные отходы, то на сегодняшний день лучшим способом остается их остекловывание. Отходы намертво «запечатываются» в структуре, которая устойчива к высочайшим температурам, воде, самой радиации.
Наверное, самая неожиданная сфера применения стекла — зубные пломбы из так называемых стеклоиономерных цементов. Также стекло включают в состав зубных паст для восстановления эмали зубов. Или имплантация: биосовместимым стеклом можно покрыть имплант для лучшей приживаемости.
— Какой‑то магический материал…
— Дело в том, что у стекла очень своеобразная структура. Вроде бы аморфная — но не беспорядочная. Атомы организованы в устойчивые группы, но не формируют кристаллы.
В старых деревенских домах вверху оконных рам можно увидеть зазоры — стекло наверху истончилось и со временем под действием силы тяжести «стекает» к нижней раме. Потому и название такое, «стекло».
Главное, структура материала способна включать в себя разные химические элементы — и можно получать стекла очень сложных составов.
Традиционно этот материал символизирует хрупкость, но на самом деле он может быть очень разным. Например, обеспечивать жаропрочность покрытия некоторых элементов космического корабля «Буран» — над этим материалом работал наш институт. Электроизоляционные стеклоэмалевые покрытия защищают на подводных лодках отдельные узлы, в том числе от перегретого пара. А так называемые ситаллы, стеклокристаллические материалы, способны сочетать в себе прозрачность стекла с прочностью и термостойкостью керамики. Наконец, многие современные катера и яхты полностью выполнены из стеклопластика.
— Вы сказали о старых оконных стеклах: а нынешние сильно изменились, допустим, с XVIII века?
— Вот состав оконного стекла как раз практически не менялся. Это натрий-кальций-силикатное стекло.
Зато очень сильно менялись технологии его получения. Представьте себе: стеклодувная трубка была изобретена примерно в 50 году до нашей эры — и вообще‑то это событие сопоставимо с изобретением гончарного круга, а то и колеса.
Эта трубка позволила более простым способом получать полые изделия, однако делать плоское стекло более-менее большой площади человечество не умело очень долго. Если рассмотреть изображения зданий на старинных картинах, можно заметить: окна состояли из довольно маленьких стеклянных вставок. А на старинных витражных стеклах в Европе видны небольшие стеклянные диски — «лунулы». Этот способ называется «лунным». Мастер выдувал пузырь, разогревал его, перехватывал на понтий (металлический стержень) и раскрывал его в толстый диск. Потом быстро вращал понтий, и масса растягивалась от центра к краям, словно основа для итальянской пиццы, — получался диск, довольно волнистый и с разной толщиной.
Следом был изобретен так называемый халявный способ получения «цилиндрического» стекла. Мастер выдувал пузырь, затем вытягивал и раскачивал его — получался длинный цилиндр, который назывался «халява». Его концы отрезали, цилиндр разрезали вдоль, разогревали в печи и распрямляли в лист. Говорят, что выражение «напиться на халяву» произошло именно от этого метода. Стеклодувы брали под язык немного спирта, потому что его пары позволяли немного облегчить процесс выдувания. Но под языком много капилляров, спирт быстро всасывался — и стеклодув пьянел фактически на рабочем месте.
Появлялись другие методы: проката, вертикального и горизонтального вытягивания — на старых стеклах можно заметить как бы полосы от валков.
— Если сейчас посмотреть на окно — стекло абсолютно ровное…
— Гладкое ровное стекло мы сейчас получаем в основном так называемым флоат-методом. Он возник не так и давно, в XX веке. Расплавленное стекло в определенных условиях выливают на поверхность расплавленного олова, стекло растекается, получаем лист одинаковой толщины, который остывает и затвердевает. По данным Росстата, только в России в 2024 году было произведено 164,49 млн кв. м флоат-стекла.
Я была на стекольном производстве в Клину, только представьте: печь на несколько сотен тонн работает круглосуточно без остановки в течение примерно 12 – 15 лет при температуре 1500 – 1550 градусов. Это достойно восхищения! Не дай бог остановка: стеклянная масса застынет в печи и встанет «козлом». Термин из металлургии — так говорят, когда в остановившейся доменной печи застывает металл. Но у металлургии и стекловарения много общих терминов: плавка, отлив, формование, отжиг. И ведь это потрясающе: сначала человечество освоило металл, потом керамику, затем глазурованный фаянс (предшественник стекла) — и вдруг кто‑то додумался обработать стекло как металл. Это был, как считают исследователи, колоссальный нестандартный шаг в мышлении.
Мы говорили о разных способах получения стекла… А вот благодаря тому, что стекловаренные печи были переведены с дров на уголь, появился хрусталь. Случайно. Всем известный «богемский хрусталь» — изначально не хрусталь в нынешнем понимании, а стекло, «лесное стекло», как его называли из‑за использования для его варки древесной золы. Настоящий хрусталь получился у англичан. Они искали способ убрать желтизну, которую коптящий в печи уголь придавал стеклу, стали добавлять оксид свинца — это заодно позволило понизить температуру процесса, и масса стала более удобной для обработки.
— Какие свойства пока не удается придать стеклу?
— Пожалуй, хотелось бы, чтобы неорганическое стекло стало более гибким. Оно в отличие от органического, пластмассы — негнущееся. Можно модифицировать стекло путем ионного обмена: например, если в микронном слое поменять натрий на калий, это позволит стеклу стать более гибким. Такое стекло нужно для авиационных стекол, например, или чтобы создать заглубленные волноводы. Пусть оно не такое гибкое, как полимер, но все‑таки прогибается, а не трескается. У нас в институте этот процесс изучался. Более того: разработка была внедрена на стекольном заводе. Тут стоит заметить, что речь идет о гибкости листового стекла, но, если мы меняем форму и вытягиваем стекло в виде нитей или световодов, тогда стекло не уступает по гибкости синтетическим волокнам.
Стекло может стать фактически вечным носителем гигантских объемов информации: сейчас разрабатывается технология записи информации внутри кварцевого стекла с помощью фемтосекундных лазеров.
Что еще… Замечательно было бы создать самовосстанавливающееся стекло. Есть же материалы с эффектом памяти формы. Но пока разбитая ваза сама собой «склеиться» не может.
Часто исследования касаются самого способа получения стекла: ученые ищут возможность сделать процесс проще, менее энергозатратным, снизить вредные выбросы — такие образуются при синтезе неорганического стекла.
— Институт химии силикатов носит имя Ильи Васильевича Гребенщикова, который больше всего известен работами с оптическими стеклами…
— Илья Васильевич вместе с коллегой и соратником Николаем Николаевичем Качаловым — создатели отечественного оптического стекла. Представьте себе: началась Первая мировая война, а у Российской империи почти вся оптика, от прицелов до биноклей — немецкая, то есть прямого противника. Своей нет. И была поставлена задача: создать отечественную технологию.
Илья Гребенщиков, молодой ученый, поехал на стажировку в Англию, а Николай Качалов стал организовывать производство на Императорском фарфоровом заводе. За два или три года они эту технологию создали и успели наплавить первые тонны оптического стекла. В революционное время эта часть завода была законсервирована, поскольку стекло — очень энергоемкий материал, но в 1936‑м технологию модифицировали, и во Вторую мировую оптика была уже полностью отечественная.
Гребенщиков стал первым директором нашего института, созданного в 1948 году. Вообще в истории института много важных имен. Например, Михаил Михайлович Шульц. Во время Великой Отечественной он, будучи студентом химического факультета ЛГУ, имел освобождение от призыва, однако принял решение уйти на фронт. Там он занимался самообразованием: взял с собой учебник по термодинамике. Доучивался уже после войны. Работал в Университете, а с 1972-го по 1998 год возглавлял наш институт.
Он собрал большую команду термодинамиков и разработал так называемую химическую концепцию строения стекла. До того акцент делали на физические свойства: вязкость, теплопроводность, оптические возможности. Хотя еще Менделеев говорил, что стекло не просто смесь компонентов, это продукт химических реакций. И что структура стекла похожа на структуру металлических сплавов.
Академик Шульц вместе с академиком Борисом Никольским разрабатывали теорию стеклянного электрода, датчика для измерения кислотности. Сейчас приборы со стеклянными электродами применяются в лабораториях по всему миру — медицинских, пищевых, экологических.
Ученый нашего института Олег Всеволодович Мазурин — первый и пока единственный российский лауреат награды президента Международной комиссии по стеклу. Он создал уникальный справочник по стеклу, а затем электронную информационную систему SciGlass, которой пользуются во всем мире. Я говорила о флоат-стекле, так вот Олег Всеволодович занимался вопросами его отжига, опираясь на результаты своих фундаментальных исследований релаксационных процессов в стекле: отжиг убирает напряжения в стекле, которые приводят к его разрушению.
Еще один наш коллега, Сергей Петрович Жданов, развивал работы академика Гребенщикова в области изучения химической устойчивости стекол — было получено так называемое пористое стекло. В отличие от пеностекла это материал с невидимыми глазу пустотами, которые можно заполнять — воздухом для изоляции, лекарствами для их медленного высвобождения, неорганическими соединениям для создания функциональных материалов. Под руководством Сергея Петровича в 1980‑е годы внедрялись разработки по использованию пористого стекла в медицине для очистки вакцин, а также в газовой хроматографии.
Первая в мире женщина, получившая в 2001 году престижную международную премию имени Отто Шотта для специалистов по стеклу, — сотрудник нашего института Наталия Михайловна Ведищева. Премию она получила вместе с другим нашим сотрудником, Борисом Анатольевичем Шахматкиным.
Сегодня ученые института продолжают исследовать природу стекла и разрабатывают на его основе материалы с разными свойствами — сегнетоэлектрическими, магнитными, спектрально-оптическими, люминесцентными, биоактивными, фотокаталитическими. Например, была разработана уникальная технология особо чистого кварцевого стекла — стекла, состоящего только из диоксида кремния. Без такого материала невозможно получение изделий для силовой электроники, фотоники, оптики…
— Исполнилось 50 лет научному журналу «Физика и химия стекла», учредителями которого выступают институт и РАН. Впечатляет даже не столько возраст, сколько вот эта живучесть: для академических журналов не одно десятилетие тянутся «сложные времена».
— О том, что подобный журнал необходим, специалисты по стеклу заговорили еще в 1939 году, на первом Всесоюзном совещании по стеклообразному состоянию. Но первый номер вышел лишь в 1975 году: так непросто было организовать новое академическое специализированное издание.
Журнал выходит уже полвека, и за это время его тематика неоднократно расширялась и дополнялась, в результате чего и сегодня журнал не теряет актуальности.
Одним из идейных вдохновителей создания журнала был Евгений Александрович Порай-Кошиц, это еще одно важное имя в истории института. Он, представитель династии выдающихся ученых, получил мировое признание за исследования химической неоднородности в стекле — ликвации. Эти работы способствовали созданию пористых стекол и ситаллов. Евгений Александрович даже в 90 лет блистательно выступал с пленарными лекциями на международных конференциях.
Всесоюзное совещание, о котором я говорила, в последний раз состоялось в 1997 году. Но в 2013‑м в нашем институте было принято решение эти совещания возобновить в масштабах страны с приглашением зарубежных коллег. Совещания проводятся под новым названием «Стекло: наука и практика» (GlasSP). В минувшем октябре с большим успехом прошло уже четвертое. И не менее важно, что для молодых ученых проводится отдельная школа-конференция «Функциональные стекла и стеклообразные материалы: Синтез. Структура. Свойства».
— Наталья Геральдовна, если вернуться к началу разговора: какая из современных разработок, на ваш взгляд, действительно революционная и могла бы в ближайшие годы изменить даже «обывательское» представление о стекле?
— Пожалуй, самая впечатляющая разработка — прозрачные солнечные окна.
Представьте: обычное на вид стекло, которое пропускает дневной свет в здание и одновременно генерирует электричество. Технология основана на том, что специальное покрытие поглощает ультрафиолетовый и инфракрасный свет, невидимый для человеческого глаза, — и преобразует его в энергию. При этом видимый свет проходит беспрепятственно, сохраняя прозрачность окна, тогда как стандартные солнечные панели выглядят черными, потому что поглощают весь спектр света.
Это уже не фантастика. Одна зарубежная компания планирует превращать небоскребы в «вертикальные солнечные фермы» за счет нанесенного на стекло прозрачного фотоэлектрического покрытия. По ее оценке, в зависимости от географии и местоположения это может обеспечить около 30 % потребностей здания в электроэнергии.
Другая разработка позволяет таким окнам генерировать энергию даже в условиях низкой освещенности — например, в дождливые или пасмурные дни.
То есть стекло, которое когда‑то было просто прозрачной преградой между нами и внешним миром, теперь становится еще и источником энергии. Думаю, это прекрасно иллюстрирует тезис о том, что мы живем в эру стекла.
Читайте также:
Технологический рекорд: в Северной столице создали самую большую в РФ деталь, «напечатанную» роботом
Материал опубликован в газете «Санкт-Петербургские ведомости» № 27 (8092) от 17.02.2026 под заголовком «Мы живем в эру стекла».
Комментарии