Metalno staklo – kovina čudesnih svojstava

Može li se od metala napraviti staklo? Može – ali to nije staklo kroz koje se gleda. To je materijal budućnosti.

Nenad Raos nedjelja, 16. lipnja 2019. u 09:20

Staklo se pravi staljivanjem sode (natrijeva karbonata), živoga vapna (kalcijeva oksida) i kremenog pijeska (silicijeva dioksida)  u staklarskoj peći. Tako se uči u školi. Natrij daje taljivost, kalcij čvrstoću, a silicij sve ostalo. Staklo se može napraviti samo od kremenog pijeska: to je onda kremeno staklo, čudesno staklo koje ne puca kada ga se iz vatre baci u vodu. Može se kremen staliti samo sa sodom, no onda se dobiva nešto sasvim neslično staklu, naime vodeno staklo, staklo koje se otapa u vodi  (možete ga kupiti u svakoj trgovini boja i lakova). U navedenu smjesu sode, vapna i kremenog pijeska može se dodati olovni oksid, da bi se dobilo staklo pogodno za brušenje, kristalno staklo. Staklu se može dodati i bor. Tada ono postaje otporno na temperaturu i kemikalije – i evo  svjetski poznatog Pyrexa, „kralja vatre“, od kojeg se izrađuje kemijski pribor, ali od kojeg je saliveno i petmetarsko zrcalo osmog svjetskog čuda – teleskopa na Mount Palomaru. Zaključak: ima mnogo vrsta stakla, različitih  svojstava i kemijskog sastava. A onda pitanje: „Što staklo čini staklom?“

Volio bih da mogu reći kako se staklo može kemijski definirati, kao primjerice da je staklo silikat toga i toga. Ali ne može. Staklo nije tvar nego stanje. Stanje između krutog i tekućeg. Možete ga smatrati amorfnom (nekristaliničnom) krutinom ili pak izuzetno viskoznom tekućinom. Meni je ova druga definicija draža. Još mi je postala dražom kada sam saznao, a još više kada sam svojim očima vidio u zadarskom muzeju rimskoga stakla deformirane bočice. Deformirale su se uslijed stajanja, poput voštane svijeće na toplom mjestu.

Budući da je staklo stanje, a ne tvar, sve se može (teoretski) pretvoriti u staklo. Ako se vulkanska lava hladi polako u njoj će se iskristalizirati minerali te će se pretvoriti u vulkansku stijenu, riolit. No ako se ohladi naglo, od nje će nastati opsidijan, vulkansko staklo, vrlo tražena roba kamenoga doba.  Kada veliki meteorit udari u Zemlju, djelomično se raspline, a ta para, koja se visoko u atmosferi kondenzira, stvrdne se u tektite, staklene meteorite. I od meteorita se može, vidimo, dobiti staklo.

Staklo se, da skratim priču, može dobiti gotovo od svake tvari ako se ohladi tako brzo da se u njoj ne stignu stvoriti kristali. Činjenica da u staklu nema kristala daju mu posebna svojstva, a prvo je i osnovno da u staklu nema faznog  prijelaza, tj. da mu se svojstva ne mijenjaju naglo s temperaturom (kao npr. kod vode kada se smrzne). Baš zato je staklo pogodno za oblikovanje, jer staklar može njegova mehanička svojstva kontinuirano mijenjati na plameniku.

Tako je i s metalnim staklima, staklima otkrivenima još 1960. godine kada se u časopisu Nature pojavio  rad o „nekristaliničnoj strukturi u nerastaljenim slitinama zlata i silicija“. I sada je, gotovo šezdeset godina nakon toga članka, u istom časopisu izišao rad o istome, naime priopćenje kineskih znanstvenika pod naslovom „High-temperature bulk metallic glasses developed by combinatorial methods (Visokotemperaturna masivna metalna stakla razvijena kombinatornim metodama)“. Znanstvenici su istraživali slitine iridija, nikla, tantala i bora, Ir-Ni-Ta-(B), čiju su talinu naglo ohladili (brzinom od 108  K/s), a potom ispitivali njihova svojstva. Pritom su uspjeli dobili metalno staklo ne samo u obliku tankih folija, nego u obliku tri milimetara debelih štapića (bulk metallic glass, BMG). A što pak znači „kombinatorne metode“? Ništa drugo, dragi čitatelji, nego nepostojanje teorije koja bi rekla koja će smjesa metala dati metalno staklo, pa se onda istražuje „metodama kombiniranja“, drugim riječima metodom pokušaja i pogreške.

Kada se tako radi dobivaju se, naravno, različita stakla s različitim svojstvima. Tako primjerice staklo sastava Ir35Ni25Ta40 ima čvrstoću od 5,1 GPa pri sobnoj temperaturi koja ostaje gotovo nepromijenjena sve do 1.162  K (889 oC), kada počinje kristalizirati pretvarajući se u običnu slitinu. Najboljim se ipak pokazalo staklo s dodatkom bora, sastava Ir35Ni20Ta40B5. Dodatkom tog elementa, bora, dogodilo se pravo čudo jer je dobiven materijal s Youngovim modulom od 263 GPa, što je više od Youngova modula čelika. Usto treba reći da metalna stakla imaju veći električni otpor od kristalnih slitina, što se vidi i iz ovdje prikazanog dijagrama (boje označavaju vrijednost specifičnog električnog otpora).

Uz visoku čvrstoću i Youngov modul, metalna stakla su otporna na koroziju i oksidaciju, a usto se izuzetno lako lijevaju u kalupe. To ih čini izvanrednim materijalima za izradu sitnih dijelova kako mehaničkih tako i elektroničkih uređaja. No na to ćemo trebati još malo pričekati.

Nenad Raos, rođen 1951. u Zagrebu, je kemičar, doktor prirodnih znanosti i znanstveni savjetnik, sada u mirovini. Još od studentskih dana bavi se popularizacijom znanosti pišući za časopise Prirodu (kojoj je sedam godina bio i glavni urednik), Čovjek i svemir, ABC tehnike, Smib, Modru lastu, a u posljednje vrijeme i za mrežne stranice Zg-magazin te, naravno, BUG online. Autor je i 13 znanstveno-popularnih knjiga od kojih je posljednju, „The Cookbook of Life – New Theories on the Origin of Life“ (izišlu 2018. godine), napisao na engleskom jeziku. Urednik je rubrike „Kemija u nastavi“ u časopisu Kemija u industriji, za koji piše i redovite komentare. Nagrađen je Državnom godišnjom nagradom za promidžbu i popularizaciju znanosti 2003. godine.