Ιστορική αναδρομή 12.000π.Χ -Αντικείμενα με υαλώματα 4500π.Χ-Μεσοποταμία-μέθοδοι κατασκευής 3000π.Χ-πρώτα αντικείμενα από ύαλο-Αίγυπτος 1500π.Χ υάλινα σκεύη στη Αίγυπτο με τη μέθοδο του πυρήνα από άμμο (sand core) 12oς αιώνας Αίγυπτος, 9ος Συρία Ελλάδα, Κύπρος Ιταλία, Αίγυπτος 100 π.Χ . 50π.Χ ανακάλυψη του φυσητού γυαλιού-Φοίνικες

Στη Δύση η ύπαρξη της Ρωμαϊκής αυτοκρατορίας βοήθησε στην ανάπτυξη κέντρων παρασκευής στην Ρώμη αλλά και στις επαρχίες, όπου εργάστηκαν τεχνίτες φυσητού γυαλιού από την Αλεξάνδρεια και την Συρία Μετά την πτώση της Ρωμαϊκής αυτοκρατορίας πρόσφυγες μετέφεραν την τέχνη του φυσητού γυαλιού στην περιοχή της Γένοβας η οποία από εκεί εξαπλώθηκε πάλι σε όλη την υπόλοιπη Ευρώπη. Η Βενετία έγινε σημαντικό κέντρο παραγωγής υάλου από τον 10 αιώνα μ.Χ. Τα χρόνια που επακολούθησαν το ενδιαφέρον για την τέχνη της υαλουργίας εστιάστηκε στη Δυτική Ευρώπη με επίκεντρο την Βενετία έως τον 17ου αιώνα. Στα τέλη του 18ου αιώνα έγινε μια βιομηχανική επανάσταση με τη χρήση φυσικών πρώτων υλών ως πηγή αλκαλίων, ασβεστόλιθο κλπ σε συνδυασμό με την κατανόηση της Χημείας των πρώτων υλών κλπ. Στο τέλος του 19ου αιώνα εισήχθηκαν διαδικασίες μηχανικές για την παραγωγή των γυαλιών (επίπεδο γυαλί ή window glass).

Μαζί με τις τεχνολογικές βελτιώσεις η κατανόηση των φυσικών και χημικών ιδιοτήτων συνετέλεσε στην ανάπτυξη των οπτικών γυαλιών Οι φακοί από ύαλο ήταν γνωστοί στη αρχαία Ελλάδα από τη οποία εξαπλώθηκαν στον αραβικό κόσμο. 1280 φτιάχτηκαν τα πρώτα διορθωτικά γυαλιά οράσεως στη Ιταλία 1590 τα πρώτα τηλεσκόπια στην Ιταλία και Ολλανδία (1609, 1610 τα τηλεσκόπια Γαλιλαίου και Κέπλερ) Τέλος του 18ου αιώνα τα πρώτα υψηλής ποιότητας οπτικά γυαλιά με προσθήκη B2O3, P2O5 και άλλων οξειδίων.(Abbe. Schott, Zeiss παρασκεύασαν νέα γυαλιά) 1920 Ξεκίνησε η μελέτη Φυσικών Ιδιοτήτων διαφόρων συστημάτων. Department of Glass Technology , Sheffield 1930 O Tamman μελέτησε θεωρητικά την υαλώδη κατάσταση της ύλης Μετά τον 2ο Παγκόσμιο πόλεμο κεξίνησε πραγματικά η σύνδεση Επιστήμης και Τεχνολογίας και αναπτύχθηκε η βιομηχανία υάλου (1950-1960) Δόμηση, μεταφορές,φωτισμός, χημική βιομηχανία, Lasers, φίλτρα, τηλεπικοινωνίες , ενέργεια

Μη-κρυσταλλικά στερεά και ύαλοι (non-crystalline solids and glasses) Ένα εύθραυστο και διαφανές υλικό Πολλά περισσότερα αλλά και δύσκολο να καθοριστεί ακριβώς Ύαλοι=μη κρυσταλλικά στερεά που παράγονται με πήξη υπερψυγμένων υγρών Είναι ύαλοι άλλα στερεά που παράγονται με άλλες μεθόδους; 1.Κλειδώνοντας την αταξία μιας υγρής φάσης 2.Χρησιμοποιώντας το πλεονέκτημα του δομικής αταξίας των αερίων φάσεων 3.Διαρρηγνύοντας την τάξη μιας κρυσταλλικής φάσης

Α. Σχηματισμός ύαλου από μία υγρή φάση Η πλειοψηφία των ενώσεων και στοιχείων σχηματίζει υγρά τήγματα χαμηλού ιξώδους που με ψύξη κρυσταλλώνονται ταχέως Υπάρχουν ενώσεις που τήκονται δίνοντας υγρά με υψηλό ιξώδες που αν η θερμοκρασία του κρατηθεί λίγο χαμηλότερα του σημείου πήξεως έχουν την τάση να κρυσταλλωθούν αργά. Όταν το υγρό στερεοποιέιται χωρίς κρυστάλλωση λέμε ότι σχηματίζει μια ύαλο (glass) , υαλοποιείται (vetrify) ή περνά στην υαλώδη κατάσταση (virteous state) Αφού περνάμε με συνεχή τρόπο από την υγρή κατάσταση στην στερεή οι δομές πρέπει να είναι παρόμοιες . Π.χ. το διάγραμμα περίθλασης ακτίνων-Χ των δύο πρέπει να μοιάζει.

Διαγράμματα περίθλασης ακτίνων-Χ του SiO2 για τρεις διαφορετικές μορφές

Στοιχεία και ενώσεις που μπορούν να υαλοποιηθούν Στοιχεία: Φώσφορος, θείο και σελήνιο Οξείδια:SiΟ2, B2O3, P2O5,GeO2, As2Ο3 και Sb2Ο5 Χαλκογονίδια: As-S, As-Se, P-Se, Ge-Se αλλά και περισσότερο πολύπλοκα ( Si,Ge,Ga,In,Sh,Te,Bi,Pb, Tl κλπ) Αλογονούχα: BeF2 και ZnCl2 Τήγματα αλάτων: Ορισμένα μήγματα νιτριδίων, KNO3-Ca(NO3)2, ανθρακικών αλλά και δυαδικά και τριαδικά συστήματα φωσφορικών, αλουμινοφθορικών, βοριοφθορικών, φωσφοροφθορικών κλπ. Υδατικά διαλύματα από άλατα,οξέα και βάσεις: Συχνή σε συμπηκνωμένα διαλύματα H2SO4, KOH, LiCl κλπ. Οργανικές ενώσεις: Μεθανόλη,γλυκερόλη, γλυκόζη, τολουόλιο. Οργανικά πολυμερή:Μακρομοριακές ενώσεις όπως πολυαιθυλένιο,πολυστηρένιο κλπ σχηματίζουν τα οργανικά γυαλιά. Μέταλλα: Ορισμένα κράματα όπως Pd-Si, Fe-B, Ni-Nb, Cu-Zn

Η σημασία της ταχύτητας ψύξης Η σημασία της ταχύτητας ψύξης Εάν εφαρμόσουμε πάρα πολύ αργή ψύξη κανένα υλικό δεν μπορεί να σχηματίσει γυαλί Το αντίθετο δεν αληθεύει Από τους παράγοντες που εξαρτάται η ταχύτητα ψύξεως (διάχυση θερμότητας,μεταφορά θερμότητας με ακτινοβολία, γεωμετρική μορφή, κατάσταση επιφάνειας) ο πιο σημαντικός είναι ο όγκος του δείγματος.

Duwez-type Splat-cooling 105-109 oC/s 1. Μέθοδοι παρασκευής υάλου με ταχεία ψύξη υγρού Duwez-type Splat-cooling 105-109 oC/s

Hammer –and anvil Splat-cooling device 105 oC/s

Roller splat-cooling device Melt-spinning device 106-108 oC/s

Laser spin-melting device

Μέθοδος sol-gel

Αντιδράσεις πολυμερισμού Οργανικά μακρομόρια παρασκευάζονται με προσθήκη ή συμπύκνωση των μορίων ενός μονομερούς. Το αποτέλεσμα είναι ένα υλικό ολικά ή μερικά κρυσταλλικό.(Βιομηχανία πλαστικών) Απομάκρυνση του διαλύτη Κατά την παρασκευή πλήθους οργανικών ενώσεων(π.χ. κόλλες) η απομάκρυνση του διαλύτη αφήνει άμορφο το υπόλοιπο υλικό. Ηλεκτροχημική εναπόθεση Άμορφα στρώματα οξειδίων μπορεί να αναπτυχθούν στις επιφάνειες ενός μετάλλου ή ημιαγωγού που χρησιμοποιείται ως άνοδος σε μια ηλεκτροχημική διάταξη.Ta,Al,Zr Nb με οξείδωση στην άνοδο δημιουργούν τα αντίστοιχα οξείδια.

A1-Thermal evaporator 2. Μέθοδοι με ψύξη ατμών μέταλλα Σχηματισμός μη-κρυσταλλικού στερεού με εναπόθεση μίας ή περισσοτέρων ενώσεων στην αέρια κατάσταση πάνω σε ένα υπόστρωμα Α) Εναπόθεση χωρίς αντίδραση Β) Εναπόθεση με Χημική αντίδραση μέταλλα

A2-Sputtering coating device

Σχηματισμός υάλου με εναπόθεση και αντίδραση Σχηματισμός υάλου με εναπόθεση και αντίδραση Β1- Reactive sputtering (χρήση Ο2, Ν2 δίνει SiO2 Si3N4 με υπόστρωμα Si) B2-(Chemical Vapor Deposition –CVD) Ετερογενής αντίδραση και εναπόθεση Ομοιογενής αντίδραση οξείδωσης (1500οC) SiH4, PH3,O2 ή SiCl4, POCl3 O2 αέρια περνούν πάνω από επιφάνεια Si που θερμαίνεται στους 1000οC, παράγοντας υμένια υάλου από SiO2-P2O5.

Σχηματισμός υάλου από στερεά φάση Σχηματισμός υάλου από στερεά φάση Γ1-Μέσω καταστροφής της κρυσταλλικής δομής με ακτινοβολία (Radiation damage) Συγκρούσεις σωματιδίων άλφα ή νετρονίων με ένα κρυσταλλικό υλικό προκαλούν σχηματισμό ατελειών που αθροιστικά οδηγούν σε άμορφη δομή. Η ακτινοβολία προκαλεί επίσης thermal spikes που προκαλούν τοπική τήξη μιας περιοχής (104 άτομα) που ψύχεται ταχέως και οδηγείται σε υαλοποίηση Ορισμένα ραδιενεργά ορυκτά ( μεικτά οξείδια του ουρανίου) γίνονται αμορφα λόγω της δικής τους ραδιοενεργότητας (metamictized)

Γ2-Με επίδραση μεγάλης έντασης ωστικού κύματος ( Intense shock waves) Ωστικά κύματα παραγόμενα από εκρήξεις μπορούν να αμορφοποιήσουν κρυστάλλους χωρίς να προηγηθεί τήξη.Οι εξωτερικές διαχωριστικές επιφάνειες του κρυστάλλου διατηρούνται αλλά η τάξη καταστρέφεται.(thetomorphic ή diaplectic glasses). Γ3-Με αργή μηχανική επίδραση Κάτω από παρατεταμένη μηχανική λειοτρίβηση τα φαινόμενα συνάφειας μεταξύ των κόκκων του υλικού οδηγούν σε καταστροφή του κρυσταλλικού πλέγματος. ( μεταλλικοί ύαλοι)

Προσδιορισμός του όρου ύαλος Με βάση τον τρόπο παρασκευής: Ύαλος είναι ένα στερεό που παρασκευάζεται με πήξη ενός υγρού χωρίς να κρυσταλλωθεί. Με βάση τη δομή: Ύαλος είναι ένα μη-κρυσταλλικό υλικό Ύαλος-άμορφο-μη κρυσταλλικό Ύαλος  μη-κρυσταλλικό υλικό Όλα τα μη-κρυσταλλικά υλικά που παράγονται με διάφορους τρόπους περιέχουν ένα πλεόνασμα ενέργειας(excess energy) με συνέπεια να θεωρούνται μετασταθή σε μια κατάσταση της ύλης εκτός ισορροπίας (non-equilibrium state) Ύαλος είναι ένα μη-κρυσταλλικό υλικό που υφίσταται το φαινόμενο της υαλώδους μετάβασης-(Φυσική κατάσταση: υαλώδης (virteous)