Staklo je nekristalna, često prozirna, amorfna čvrsta supstanca koja ima široku praktičnu, tehnološku i dekorativnu upotrebu u, na primjer, prozorskim staklima, posuđu i optici. Staklo se najčešće formira brzim hlađenjem (gašenjem) rastaljenog oblika; neka stakla kao što je vulkansko staklo se javljaju u prirodi. Najpoznatiji i istorijski najstariji tipovi proizvedenog stakla su "silikatna stakla" zasnovana na hemijskom spoju silicijum dioksida, primarnog sastojka pjeska. Soda-vapneno staklo, koje sadrži oko 70% silicijum dioksida, čini oko 90% proizvedenog stakla. Termin staklo, u popularnoj upotrebi, često se koristi samo za ovu vrstu materijala, iako stakla bez silicijevog dioksida često imaju poželjna svojstva za primjenu u modernoj komunikacijskoj tehnologiji. Neki predmeti, kao što su čaše za piće i naočare, toliko su često napravljeni od stakla na bazi silikata da se jednostavno nazivaju imenom materijala.
Zbog svojih karakteristika, staklo je relativno čvrsto, inertno, prozirno i biološki neaktivno, a ima vrlo široku upotrebu u današnjem vremenu. Uprkos tome što je krhko, ukopano silikatno staklo će preživjeti vrlo duge periode ako se ne uznemirava, a postoje mnogi primjeri fragmenata stakla iz ranih kultura pravljenja stakla. Arheološki dokazi sugerišu da pravljenje stakla datira najmanje 3.600 godina p. n. e. u Mezopotamiji, Egiptu ili Siriji. Najraniji poznati stakleni predmeti bile su perle, koje su možda nastale slučajno tokom obrade metala ili proizvodnje fajanse. Zbog svoje lakoće oblikovanja u bilo koji oblik, staklo se tradicionalno koristi za posude, kao što su zdjele, vaze, boce, tegle i čaše za piće. U svojim najčvršćim oblicima, također se koristio za tegove za papir i klikere. Staklo se može bojiti dodavanjem soli metala ili oslikavati i štampati kao emajlirano staklo. Svojstva prelamanja, refleksije i transmisije stakla čine staklo pogodnim za proizvodnju optičkih leća, prizmi i optoelektronskih materijala. Ekstrudirana staklena vlakna imaju primjenu kao optička vlakna u komunikacijskim mrežama, termoizolacijski materijal kada su matirana kao staklena vuna kako bi zadržala zrak, ili u plastici ojačanoj staklenim vlaknima (fiberglass).
Mikroskopska struktura
Standardna definicija stakla (ili staklastog tijela) je čvrsta supstanca nastala brzim gašenjem taljenja.[1][2][3][4] Međutim, pojam "staklo" se često definiše u širem smislu, kako bi se opisala bilo koja nekristalna (amorfna) čvrsta supstanca koja pokazuje stakleni prijelaz kada se zagrije u tečno stanje.[4][5]
Staklo je amorfna čvrsta materija. Iako struktura stakla na atomskom nivou dijeli karakteristike strukture prehlađene tekućine, staklo pokazuje sva mehanička svojstva čvrste tvari.[6][7][8] Kao i u drugim amorfnim čvrstim materijama, atomskoj strukturi stakla nedostaje periodičnost dugog dometa uočena u kristalnim čvrstim materijama. Zbog ograničenja hemijske veze, stakla posjeduju visok stepen reda kratkog dometa u odnosu na lokalne atomske poliedre.[9] Ideja da staklo teče u značajnoj mjeri tokom dužeg vremenskog perioda nije podržana empirijskim istraživanjem ili teorijskom analizom (vidi viskoznost u čvrstim tvarima). Iako se u staklu može izmjeriti viskozitet materijala reda 1017–1018 Pa, tako visoka vrijednost pojačava činjenicu da staklo ne bi značajno promijenilo oblik čak ni u velikim vremenskim periodima.[5][10]
Formiranje iz prehlađene tečnosti
Za gašenje taline, ako je hlađenje dovoljno brzo (u odnosu na karakteristično vrijeme kristalizacije) tada se sprječava kristalizacija i umjesto toga se neuređena atomska konfiguracija prehlađene tekućine zamrzava u čvrsto stanje na Tg. Sklonost materijala da formira staklo dok se gasi naziva se sposobnost stvaranja stakla. Ova sposobnost se može predvidjeti teorijom krutosti.[11] Općenito, staklo postoji u strukturno metastabilnom stanju u odnosu na svoj kristalni oblik, iako u određenim okolnostima, na primjer u ataktičkim polimerima, ne postoji kristalni analog amorfne faze.[12]
Staklo se ponekad smatra tekućinom zbog nedostatka faznog prijelaza prvog reda[7][13] gdje su određene termodinamičke varijable kao što su volumen, entropija i entalpija diskontinuirane kroz raspon staklene tranzicije. Staklena tranzicija se može opisati kao analogna faznoj tranziciji drugog reda gdje su intenzivne termodinamičke varijable kao što su toplinska ekspanzivnost i toplinski kapacitet diskontinuirane, međutim to je netačno.[2] Teorija ravnoteže faznih transformacija ne važi za staklo, pa se stakleni prelaz ne može klasifikovati kao jedna od klasičnih ravnotežnih faznih transformacija u čvrstim materijama.[4][5] Nadalje, ne opisuje temperaturnu ovisnost Tg o brzini zagrijavanja, kao što je pronađeno u diferencijalnoj skenirajućoj kalorimetriji.
Pojave u prirodi
Staklo se može prirodno formirati iz vulkanske magme. Obsidijan je uobičajeno vulkansko staklo sa visokim sadržajem silicijum dioksida (SiO2) koji nastaje kada se felzična lava ekstrudirana iz vulkana brzo ohladi.[14]Impactit je oblik stakla koji nastaje udarom meteorita, gdje su značajni primjeri moldavit (koji se nalazi u srednjoj i istočnoj Evropi) i libijsko pustinjsko staklo (nalazi se u područjima istočne Sahare, pustinjama istočne Libije i zapadnog Egipta).[15] Vitrifikacija kvarca se također može dogoditi kada munja udari u pijesak, formirajući šuplje, razgranate strukture nalik korijenu koje se nazivaju fulguriti.[16] Trinitit je staklasti ostatak nastao od pijeska pustinjskog poda na poligonu za testiranje nuklearne bombe Trinity.[17] Edeowie staklo, pronađeno u Južnoj Australiji, pretpostavlja se da potječe od pleistocenskih pašnjačkih požara, udara groma ili hiperbrzinskog udara jednog ili više asteroida ili kometa.[18]
Proizvodnja
Čisti silicijum dioksid ima tačku topljenja na oko 2000˚C te bi bilo jako neekonomično taliti ga na toj temperaturi. Prilikom proizvodnje stakla dodaju se sljedeće dvije tvari koje olakšavaju izradu stakla:
Dodavanjem sode snižava se tačka topljenja na oko 1000˚ C, no isto tako njegovim dodavanjem staklo postaje topivo u vodi. Zbog toga u već otopljeno staklo dodaje se kalcijum oksid koji vraća staklu njegovu netopivost u vodi. Pojednostavljeno rečeno staklo se proizvodi od kamenja, što zapravo i jeste silicijum dioksid.
Upotreba
Staklo se upotrebljava u mnogim područjima: građevini, za prehranu, izradu instrumenata, elektronike, ukrasnih predmeta itd. Iako se staklo proizvodilo od vremena starih Sumerana i Egipćana, staklo je bio skupocjen materijal i to sve do sredine 20. vijeka nakon čega staklo postaje iznimno jeftin i široko upotrebljavan materijal.
