石英ガラス製品: 科学的な秘密の成分

石英ガラス製品は、多くの科学実験の秘密の材料です。 ひび割れすることなく熱や寒さに耐え、ほとんどの化学物質に対して不活性を保ち、光と相互作用せず、その品質により完全に透明になります。 形状が変化せず、冷めると硬いままですが、柔らかくなります...

石英ガラス製品は、多くの科学実験の秘密の材料です。 ひび割れすることなく熱や寒さに耐え、ほとんどの化学物質に対して不活性を保ち、光と相互作用せず、その品質により完全に透明になります。 形状が変化せず、冷えると硬くなりますが、熱くなると柔らかくなります。

「溶融石英というと結晶を暗示しますが、それは誤った呼び方です」とGEグローバルリサーチの材料科学者で石英の専門家であるトーマス・マクナルティ氏は言う。 「結晶固体のような独特の特性を持っていますが、実際には非晶質です。」

マクナルティ氏によると、メーカーは超純粋な珪砂を華氏3,600度を超える、鋼の融点よりも高い温度まで加熱して溶融石英を製造しているという。 「シリカは明るく白い砂浜のように見えます」とマクナルティ氏は言う。 「ここ米国ノースカロライナ州を含めて、それを入手できる場所は世界中でわずかしかありません。」

材料の融点が高いため、作業者はタングステンとグラファイトで作られた炉を使用します。 得られた溶融石英の塊には、純粋なシリカ分子の非晶質鎖が含まれており、これがこの材料に貴重な特性を与えています。 忠実なカップルのように、「ケイ素と酸素は互いに結合することを非常に好みます」とマクナルティ氏は言います。 「結合が非常に強いため、他のほとんどの元素との反応性が低くなります。

マクナルティ氏は、アモルファス構造により、熱衝撃にさらされた場合でも材料の形状を維持できると述べています。 溶融石英のいわゆる「熱膨張係数」は、ほとんどの金属よりも 100 分の 1 です。 「一方の端を冷たく、もう一方の端を熱くしておけば、ひび割れることはありません」とマクナルティ氏は言います。

ガラス職人はまず材料をチューブやその他の基本的な形状に成形し、さらなる加工のために研究室に送ります。 ニューヨーク州北部にある GE グローバル研究所では、2 人のフルタイムの従業員がチューブを成形して、化学者向けのカスタム反応器、クリーンルーム炉用のマッフルチューブ、ビーカー、および特定の実験用に設計されたその他の実験器具を成形しています。

この不思議な素材にはアキレス腱があります。 「表面に傷を付けると、すぐに機械的特性が失われます」とマクナルティ氏は言う。 「これは技術的な材料であり、構造材料ではありません。 非常に多くのチューブが必要です。」

そこでビル ジョーンズ (上) の出番です。彼は 33 年間、GE でオーダーメイドのガラス製品を作ってきました。 ジョーンズ氏は特殊なガラス旋盤のグラファイト チャック内に石英管を縛り付け、半円状のガス トーチで華氏 3,000 度まで加熱し、材料がキャラメルのように粘性を帯び、グラファイト パドルで希望の形状に成形します。 「これを教える学校はありません」とマクナルティ氏は言う。 「それは店舗環境で学びます。 それはちょっとした芸術です。」

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