Кварцевая посуда: научный секретный ингредиент

Кварцевая посуда является секретным ингредиентом многих научных экспериментов. Он выдерживает жару и холод, не растрескивается, остается инертным к большинству химикатов и не взаимодействует со светом — качество, которое делает его совершенно прозрачным. Он не меняет форму и остается твердым на холоде, но становится гибким, когда...

Кварцевая посуда является секретным ингредиентом многих научных экспериментов. Он выдерживает жару и холод, не растрескивается, остается инертным к большинству химикатов и не взаимодействует со светом — качество, которое делает его совершенно прозрачным. Он не меняет форму и остается твердым в холодное время, но становится гибким в горячем.

«Плавленый кварц подразумевает кристаллы, но это неправильное название», — говорит Томас МакНалти, ученый-материаловед из GE Global Research и эксперт по кварцу. «Несмотря на то, что он имеет особые свойства, подобные кристаллическим твердым веществам, на самом деле материал аморфен».

Макналти говорит, что производители производят плавленый кварц, нагревая сверхчистый кварцевый песок до температуры, превышающей 3600 градусов по Фаренгейту, что выше точки плавления стали. «Кремнезем выглядит как яркий белый пляжный песок», — говорит МакНалти. «В мире есть всего несколько мест, где его можно получить, в том числе здесь, в США, в Северной Каролине».

Из-за высокой температуры плавления материала рабочие используют печи из вольфрама и графита. Полученная масса плавленого кварца содержит аморфные цепочки молекул чистого кремнезема, которые придают материалу его ценные свойства. Как верная пара, «кремнию и кислороду очень нравится быть связанными друг с другом», — говорит МакНалти. «Поскольку они настолько прочно связаны, они имеют низкую реакционную способность с большинством других элементов.

МакНалти говорит, что аморфная структура также позволяет материалу сохранять свою форму даже при воздействии термических ударов. Так называемый «коэффициент теплового расширения» плавленого кварца в 100 раз меньше, чем у большинства металлов. «Вы можете держать один конец холодным, а другой горячим, и он не треснет», — говорит МакНалти.

Работники стекольной промышленности сначала формируют из материала трубки и другие базовые формы и отправляют их в лаборатории для дальнейшей обработки. В лабораториях GE Global Research в северной части штата Нью-Йорк работают два штатных сотрудника, которые формируют из трубок индивидуальные реакторы для химиков, муфельные трубки для печей в чистых помещениях, химические стаканы и другую лабораторную посуду, предназначенную для конкретных экспериментов.

У чудесного материала есть ахиллесова пята. «Каждый раз, когда вы надрезаете его поверхность, он довольно быстро теряет свои механические свойства», — говорит МакНалти. «Это технический, а не конструкционный материал. Нам нужно много-много трубок».

Именно здесь на помощь приходит Билл Джонс (вверху). Он занимается производством стеклянной посуды на заказ в GE уже 33 года. Джонс закрепляет кварцевые трубки внутри графитовых патронов на специальном токарном станке, нагревает их полукругом газовых горелок до 3000 градусов по Фаренгейту, при котором материалы становятся вязкими, как карамель, и придаёт им желаемую форму с помощью графитовых лопаток. «Для этого не существует школы», — говорит МакНалти. «Вы учитесь этому в магазине. Это немного искусства».

Больше подобных историй можно найти в отчетах GE.