Loading article…
ガラスは非晶質（非結晶性）固体です。透明で化学的に不活性なことが多いため、ガラスは窓ガラス、食器、光学機器など、実用的、技術的、装飾的な用途で広く利用されています。ガラス製の一般的な物の中には、その素材にちなんで名付けられたものもあり、例えば、飲み物用の「グラス」、視力矯正用の「眼鏡」、拡大鏡などがあります。
ガラスは、溶融した状態を急速冷却（急冷）することによって形成されることが最も多い。火山ガラスなどの一部のガラスは天然に存在し、黒曜石は石器時代から矢じりやナイフの製造に使用されてきた。考古学的証拠によると、ガラス製造は少なくとも紀元前3600年頃、メソポタミア、エジプト、またはシリアに遡る。最も古いガラス製品はビーズであり、おそらく金属加工中または鉛釉を使用した陶器の一種であるファイアンスの製造中に偶然に作られたものと考えられる。 [ 1 ]
ガラスはどんな形にも容易に成形できるため、伝統的にボウル、花瓶、ボトル、瓶、グラスなどの容器に用いられてきました。シリカを約70%含むソーダ石灰ガラスは、現代の製造ガラスの約90%を占めています。ガラスは金属塩を添加して着色したり、ガラス質の釉薬で塗装や印刷を施したりすることができ、ステンドグラスやその他のガラス工芸品にも使用されています。
ガラスの屈折性、反射性、透過性といった特性により、ガラスは光学レンズ、プリズム、光電子材料の製造に適しています。押出成形されたガラス繊維は、通信ネットワークの光ファイバー、空気を閉じ込めるグラスウールとしてマット状にした断熱材、またはガラス繊維強化プラスチック（グラスファイバー）として利用されています。
ガラス（またはガラス質固体）の標準的な定義は、急速な溶融急冷によって形成される非結晶性固体である。[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]しかし、「ガラス」という用語は、液体状態に向かって加熱されたときにガラス転移を示す非結晶性（非晶質）固体を説明するために、より広い意味で定義されることが多い。 [ 5 ] [ 6 ]
ガラスは非晶質固体です。ガラスの原子スケールの構造は過冷却液体の構造の特徴を共有していますが、ガラスは固体のすべての機械的特性を示します。[ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]他の非晶質固体と同様に、ガラスの原子構造は結晶固体に見られる長距離周期性を持っていません。化学結合の制約により、ガラスは局所的な原子多面体に関して高い短距離秩序を持っています。[ 10 ]ガラス転移温度よりはるかに低い温度で長期間にわたってガラスがかなり流動するという考えは、経験的研究や理論的分析によって裏付けられていません（固体の粘度を参照）。ガラス表面での原子運動は観察できますが、[ 11 ]ガラスでは10 17～10 18 Pa・sのオーダーの粘度が測定できますが、このような高い値は、ガラスが長期間にわたって大きく形状を変えないという事実を裏付けています。[ 6 ] [ 12 ]
溶融急冷の場合、冷却が十分に速い場合（特性結晶化時間に対して）、結晶化は阻止され、代わりに過冷却液体の無秩序な原子配置がT gで固体状態に凍結されます。急速冷却中にガラスを形成する材料の能力は、そのガラス形成能力として知られています。この能力は剛性理論によって予測できます。[ 14 ]一般的に、ガラスは結晶形に対して構造的に準安定な状態にありますが、特定の状況、たとえばアタクチックポリマーでは、非晶質相の結晶アナログは存在しません。[ 15 ]
ガラスは、体積、エントロピー、エンタルピーなどの 特定の熱力学的変数がガラス転移範囲で不連続となる一次相転移がないため、液体とみなされることがある[ 8 ] [ 16 ] 。ガラス転移は、熱膨張率や熱容量などの示強熱力学的変数が不連続となる二次相転移に類似していると説明できる[ 3 ]。しかし、相転移の平衡理論はガラスには当てはまらないため、ガラス転移は固体の古典的な平衡相転移の1つとして分類することはできない[ 5 ] [ 6 ] 。
ガラスは火山マグマから自然に形成されることがあります。黒曜石は、火山から噴出した珪長質溶岩が急速に冷えて固まると形成される、シリカ（SiO 2 ）含有量の高い一般的な火山ガラスです。 [ 17 ]インパクトタイトは隕石の衝突によって形成されるガラスの一種で、モルダバイト（中央ヨーロッパと東ヨーロッパで発見）やリビア砂漠ガラス（東サハラ、東リビア、西エジプトの砂漠地帯で発見）が顕著な例です。[ 18 ]石英のガラス化は、雷が砂に落ちたときにも起こり、フルグライトと呼ばれる中空の枝分かれした根のような構造を形成します。[ 19 ]トリニタイトは、トリニティ核爆弾実験場の砂漠の床の砂から形成されたガラス質の残留物です。 [ 20 ]南オーストラリアで発見されたエデオウィーガラスは、更新世の草原火災、落雷、または1つまたは複数の小惑星や彗星の超高速衝突に由来すると考えられている。[ 21 ]
天然の黒曜石ガラスは、非常に鋭い縁に沿って割れるため、切断工具や武器に最適であることから、石器時代の社会で使用されていました。 [ 22 ] [ 23 ]
ガラス製造の歴史は少なくとも6000年前に遡り、人類が鉄を精錬する方法を発見するずっと以前から始まっている。 [ 22 ]考古学的証拠によれば、最初の真の合成ガラスはレバノンとシリア北部沿岸、メソポタミア、または古代エジプトで作られたと考えられている。[ 24 ] [ 25 ]紀元前3千年紀半ばの最も古いガラス製品はビーズで、おそらく当初は金属加工の偶発的な副産物（スラグ）として、または釉薬に似たプロセスで作られたガラス以前のガラス質材料であるファイアンスの製造中に作られたものと考えられる。[ 1 ]
初期のガラスは透明であることは稀で、不純物や欠陥が含まれていることが多く、[ 22 ]技術的には真のガラスではなくファイアンスであり、真のガラスは紀元前15世紀まで出現しなかった。[26] しかし、紀元前1700年以前（おそらく紀元前1900年頃）にインダス文明から発掘された赤橙色のガラスビーズは、メソポタミアで紀元前1600年頃、エジプトで紀元前1500年頃に出現した持続的なガラス生産よりも古い。[ 27 ] [ 28 ]
後期青銅器時代には、エジプトと西アジアでガラス製造技術が急速に発展した。[ 24 ]この時代の考古学的発見物には、色付きガラスのインゴット、容器、ビーズなどがある。[ 24 ] [ 29 ]
初期のガラス製造の多くは、冷えた状態でのガラスの研磨や彫刻など、石工から借用した研磨技術に依存していた。 [ 30 ]
「ガラス」という言葉は、ローマ帝国末期、現在のドイツにあるトリーアのローマのガラス製造の中心地で、後期ラテン語のglesumという言葉が生まれたことに由来し、おそらく透明で光沢のある物質を意味するゲルマン語から来ていると考えられます。[ 31 ]ガラス製品はローマ帝国全域で発見されており、[ 32 ]家庭、葬儀、[ 33 ]産業の文脈、[ 34 ]遠く離れた属州の市場の交易品としても見つかっています。[ 35 ] [ 36 ]ローマ時代のガラスの例は、かつてのローマ帝国の外、中国、[ 37 ]バルト海沿岸、中東、インドでも発見されています。[ 38 ]ローマ人は、異なる色の溶融層をエッチングや彫刻で削り、ガラス製品に浮き彫りのデザインを施すカメオガラスを完成させました。[ 39 ]
古典期以降の西アフリカでは、ベニンはガラスとガラスビーズの製造国でした。[ 40 ]中世 ヨーロッパではガラスが広く使用されていました。アングロサクソン時代のガラスは、イングランド各地の集落や墓地の遺跡の発掘調査で発見されています。[ 41 ] 10世紀以降、ガラスは教会や大聖堂のステンドグラスの窓に使用され、シャルトル大聖堂やサン＝ドニ大聖堂には有名な例があります。14世紀までには、建築家はパリのサント・シャペル（1203～1248年）やグロスター大聖堂の東端など、ステンドグラスの壁を持つ建物を設計していました。ヨーロッパのルネサンス期に建築様式が変化すると、大きなステンドグラスの窓の使用ははるかに少なくなりましたが、[ 42 ] 19世紀のゴシック・リバイバル建築でステンドグラスは大きく復活しました。 [ 43 ]
13 世紀には、ヴェネツィアのムラーノ島がガラス製造の中心地となり、中世の技術を基に色鮮やかな装飾品を大量生産するようになった。[ 39 ]ムラーノのガラス職人は、天然の水晶に似ていることからクリスタッロと呼ばれる非常に透明で無色のガラスを開発し、窓、鏡、船のランタン、レンズなどに広く使用された。[ 22 ] 13 世紀、14 世紀、15 世紀には、ガラス容器へのエナメル加工と金箔加工がエジプトとシリアで完成された。 [ 44 ] 17 世紀末には、ボヘミアがガラス生産の重要な地域となり、20 世紀初頭までその地位を維持した。17 世紀には、ヴェネツィアの伝統に則ったガラスがイギリスでも生産されていた。1675 年頃、ジョージ・レイヴンズクロフトが鉛クリスタルガラスを発明し、18 世紀にはカットガラスが流行した。 [ 39 ]装飾ガラス製品は、19世紀後半のアール・ヌーヴォー時代に重要な芸術媒体となった。 [ 39 ]
20 世紀を通じて、新しい大量生産技術によりガラスがはるかに大量に広く入手可能になり、建築材料として実用的になり、ガラスの新しい用途が可能になりました。[ 45 ] 1920 年代には、型エッチング プロセスが開発され、アートが型に直接エッチングされ、各鋳造品がガラスの表面に画像が付いた状態で型から取り出されました。これにより製造コストが削減され、色付きガラスのより広い使用と相まって、1930 年代には安価なガラス製品が生まれ、後にデプレッション ガラスとして知られるようになりました。[ 46 ] 1950 年代には、イギリスのピルキントン ブラザーズがフロート ガラスプロセスを開発し、溶融錫の上に浮かべることで高品質で歪みのない平らなガラスシートを製造しました。[ 22 ]現代の高層ビルは、ほぼ完全にガラスでできたカーテン ウォールで建設されることがよくあります。 [ 47 ]合わせガラスは、自動車のフロントガラスに広く使用されています。[ 48 ]眼鏡用の光学ガラスは中世から使われてきました。[ 49 ]レンズの製造技術はますます高度化し、天文学者[ 50 ]の助けとなるだけでなく、医学や科学の他の分野でも応用されています。[ 51 ]ガラスは多くの太陽エネルギーコレクターの開口部カバーとしても使用されています。[ 52 ]
21世紀には、ガラスメーカーはスマートフォン、タブレットコンピュータ、その他多くの種類の情報機器のタッチスクリーンに広く応用するために、化学強化ガラスのさまざまなブランドを開発しました。これらには、コーニングが開発・製造したゴリラガラス、AGC Inc.のドラゴントレイル、ショットAGのXensationなどがあります。[ 53 ] [ 54 ] [ 55 ]
ガラスは幾何光学に従って光を屈折、反射、透過させる能力があるため、光学システムで広く使用されています。光学におけるガラスの最も一般的で古い用途は、レンズ、窓、鏡、プリズムです。[ 56 ]ガラスの主要な光学特性である屈折率、分散、透過率は、化学組成に大きく依存し、熱履歴にはそれほど依存しません。[ 56 ]光学ガラスは通常、屈折率が1.4～2.4、アッベ数（分散を特徴付ける）が15～100です。[ 56 ]屈折率は、高密度（屈折率が増加）または低密度（屈折率が減少）の添加剤によって変更される場合があります。[ 57 ]
ガラスの透明性は、多結晶材料において光を拡散散乱させる粒界が存在しないことに起因します。 [ 58 ]結晶化による半不透明は、多くのガラスにおいて、融解を引き起こすには不十分な温度で長時間保持することによって誘発されることがあります。このようにして、レオーミュールのガラス磁器として知られる結晶質の脱ガラス化材料が生成されます。[ 44 ] [ 59 ]一般的に可視光に対しては透明ですが、ガラスは他の波長の光に対して不透明になることがあります。ケイ酸塩ガラスは一般的に赤外線波長に対して不透明で、透過カットオフは4μmですが、重金属フッ化物およびカルコゲナイドガラスは7～18μmの赤外線波長に対して透明です。[ 60 ]金属酸化物を添加すると、金属イオンが特定の色に対応する波長の光を吸収するため、異なる色のガラスが生成されます。[ 60 ]
製造工程では、ガラスは流し込み、成形、押し出し、成形されて、平らなシートから非常に複雑な形状までさまざまな形に加工されます。[ 61 ]完成品は脆いですが、耐久性を高めるために積層または強化することができます。[ 62 ] [ 63 ]ガラスは一般的に不活性で、化学攻撃に強く、ほとんどの場合、水の作用に耐えることができるため、食品やほとんどの化学薬品の容器の製造に理想的な材料です。[ 22 ] [ 64 ] [ 65 ]ただし、通常は化学攻撃に非常に強いものの、ガラスは特定の条件下では腐食または溶解します。[ 64 ] [ 66 ]特定のガラス組成を構成する材料は、ガラスの腐食速度に影響します。アルカリまたはアルカリ土類元素の割合が高いガラスは、他のガラス組成よりも腐食しやすいです。[ 67 ] [ 68 ]
ガラスの密度は化学組成によって異なり、溶融シリカの2.2グラム/立方センチメートル（2,200 kg/m 3 ）から高密度フリントガラスの7.2グラム/立方センチメートル（7,200 kg/m 3 ）まで値の範囲があります。 [ 69 ]ガラスはほとんどの金属よりも強く、純粋で欠陥のないガラスの理論上の引張強度は、破壊せずに可逆的な圧縮を受ける能力により、 14～35ギガパスカル（2,000,000～5,100,000 psi）と推定されています。しかし、傷、気泡、その他の微細な欠陥の存在により、ほとんどの市販のガラスでは、 14～175メガパスカル（2,000～25,400 psi）の典型的な範囲になります。[ 60 ]強化などのいくつかのプロセスにより、ガラスの強度を高めることができます。[ 70 ]丁寧に引き伸ばされた欠陥のないガラス繊維は、最大11.5 ギガパスカル (1,670,000 psi)の強度で製造できます。[ 60 ]
古い窓ガラスは下部が上部よりも厚い場合があるという観察は、ガラスが数世紀にわたって流動するという見解を裏付ける証拠としてよく挙げられ、ガラスがある形状から別の形状へと流動する液体の性質を示したという仮定に基づいている。[ 71 ]この仮定は誤りである。ガラスは一度固まると流動しなくなる。古いガラスに見られるたるみや波紋は、製造されたその日からすでに存在していた。過去に使用されていた製造プロセスでは、表面が不完全で厚みが不均一なシートが製造されていた（今日使用されているほぼ完璧なフロートガラスが広く普及したのは1960年代になってからである）。[ 8 ]
2017年の研究では、1268年からウェストミンスター寺院で使用されている中世のガラスの流動速度を計算しました。この研究では、このガラスの室温粘度が約10 24 Pa・sであり、ソーダ石灰ケイ酸塩ガラスに焦点を当てた1998年の以前の推定値よりも約10 16倍低いことがわかりました。この低い粘度でも、研究著者は中世のガラスの最大流動速度が10億年あたり1 nmであり、人間の時間スケールでは観測不可能であると計算しました。[ 72 ] [ 73 ]
二酸化ケイ素（SiO 2）はガラスの一般的な基本成分です。溶融石英は化学的に純粋なシリカから作られたガラスです。[ 68 ]熱膨張率が非常に低く、耐熱衝撃性に優れており、赤熱状態で水に浸しても耐えることができ、高温（1000～1500 ℃）や化学的風化にも強く、非常に硬いです。また、通常のガラスよりも広いスペクトル範囲で透明であり、可視光から紫外線と赤外線領域まで広がっているため、これらの波長に対する透明性が必要な場合に使用されることがあります。溶融石英は、炉管、照明管、溶解るつぼなどの高温用途に使用されます。[ 74 ]しかし、融点（1723 ℃）が高く粘度が高いため、加工が困難です。そのため、通常は融点を下げてガラス加工を簡素化するために他の物質（フラックス）が添加されます。[ 75 ]
炭酸ナトリウム（Na 2 CO 3、「ソーダ」）は一般的な添加剤で、ガラス転移温度を下げる働きをします。しかし、ケイ酸ナトリウムは水溶性であるため、耐薬品性を向上させるために、石灰（CaO、酸化カルシウム、一般的に石灰石から得られる）、酸化マグネシウム（MgO）、酸化アルミニウム（Al 2 O 3）が一般的に添加されます。ソーダ石灰ガラス（Na 2 O）+石灰（CaO）+マグネシア（MgO）+アルミナ（Al 2 O 3）は、製造ガラスの75%以上を占め、重量で約70～74%のシリカを含んでいます。[ 68 ] [ 76 ]ソーダ石灰ケイ酸ガラスは透明で成形しやすく、窓ガラスや食器に最適です。[ 77 ]ただし、熱膨張率が高く、耐熱性が低いという欠点があります。[ 77 ]ソーダ石灰ガラスは、窓、ボトル、電球、瓶などに一般的に使用されます。[ 75 ]
ホウケイ酸ガラス（例：パイレックス、デュラン）は通常、5～13%の三酸化ホウ素（B₂O₃）を含んでいます。[ 75 ]ホウケイ酸ガラスは熱膨張係数がかなり低く（パイレックスのCTEは3.25 × 10⁻⁶） 、−6 /°C [ 78 ]約 9 × 10と比較一般的なソーダ石灰ガラスの場合、 −6 /°C [ 79 ]）。そのため、熱膨張による応力の影響を受けにくく、熱衝撃によるひび割れも起こりにくい。実験器具、家庭用調理器具、密閉型自動車ヘッドランプなどに一般的に使用されている。 [ 75 ]
ケイ酸塩ガラスに酸化鉛(II)を加えると、溶融物の融点と粘度が低下します。 [ 80 ]鉛ガラス(シリカ + 酸化鉛(PbO) + 酸化カリウム(K2O) + ソーダ(Na2O) + 酸化亜鉛(ZnO) + アルミナ)の高密度は、高い電子密度、ひいては高い屈折率をもたらし、ガラス製品の外観をより輝かせ、鏡面反射を著しく増加させ、光学的分散を増加させます。[ 68 ] [ 81 ]鉛ガラスは弾性が高く、ガラス製品の加工性を高め、叩くと澄んだ「リング」音を発します。ただし、鉛ガラスは高温に耐えることができません。[ 74 ]酸化鉛は他の金属酸化物の溶解性も高め、着色ガラスにも使用されます。鉛ガラス溶融物の粘度低下は非常に顕著です(ソーダガラスと比較して約100倍)。これにより気泡の除去が容易になり、低温での作業が可能になるため、ガラス質エナメルやガラスはんだの添加剤として頻繁に使用されています。Pb 2+イオンのイオン半径が大きいため、移動性が非常に低く、他のイオンの移動を妨げます。そのため、鉛ガラスは高い電気抵抗を持ち、ソーダ石灰ガラスよりも約 2 桁高い値になります (10 8.5 Ω⋅cm対 10 6.5 Ω⋅cm、DC 、 250 °C)。[ 82 ]
アルミノケイ酸ガラスは通常、5～10%のアルミナ（Al 2 O 3）を含みます。アルミノケイ酸ガラスは、ホウケイ酸ガラスに比べて溶融や成形が難しい傾向がありますが、優れた耐熱性と耐久性を備えています。[ 75 ]アルミノケイ酸ガラスは、グラスファイバー[ 83 ] 、ガラス繊維強化プラスチック（ボート、釣り竿など）、コンロ用調理器具、ハロゲン電球用ガラスの製造に広く使用されています。 [ 74 ] [ 75 ]
バリウムの添加は屈折率も増加させます。酸化トリウムはガラスに高い屈折率と低い分散を与え、かつては高品質のレンズの製造に使用されていましたが、放射能のため、現代の眼鏡では酸化ランタンに置き換えられています。 [ 84 ]鉄は、例えば映画プロジェクターの熱吸収フィルターのように、赤外線を吸収するためにガラスに組み込むことができ、一方、酸化セリウム(IV)は紫外線を吸収するガラスに使用できます。[ 85 ]フッ素はガラスの誘電率を低下させます。フッ素は電気陰性度が高く、材料の分極率を低下させます。フッ化ケイ酸塩ガラスは、集積回路の製造において絶縁体として使用されます。[ 86 ]
ガラスセラミック材料は、非晶質ガラス相と結晶質セラミック相の両方を含んでいます。これらは、熱処理によるベースガラスの制御された核生成と部分的な結晶化によって形成されます。[ 87 ]結晶粒は、粒界の非晶質粒間相内に埋め込まれていることがよくあります。ガラスセラミックは、金属や有機ポリマーと比較して、熱的、化学的、生物学的、誘電的特性に優れています。[ 87 ]
ガラスセラミックスの商業的に最も重要な特性は、熱衝撃に対する耐性です。そのため、ガラスセラミックスは調理台や工業プロセスで非常に有用になっています。結晶セラミック相の負の熱膨張係数（CTE）は、ガラス相の正のCTEとバランスが取れています。ある時点（結晶化度約70%）で、ガラスセラミックスの正味CTEはほぼゼロになります。このタイプのガラスセラミックス は優れた機械的特性を示し、1000 ℃までの繰り返しの急激な温度変化に耐えることができます。 [ 88 ] [ 87 ]
グラスファイバー（ガラス繊維強化プラスチック、GRPとも呼ばれる）は、プラスチック樹脂をガラス繊維で強化して作られる複合材料です。ガラスを溶かして繊維状に引き伸ばすことで作られます。これらの繊維は布状に織り合わされ、プラスチック樹脂の中で固められます。[ 89 ] [ 90 ] [ 91 ]グラスファイバーは軽量で耐腐食性に優れ、絶縁 性も高いため、建築用断熱材や民生用電子機器の筐体として使用されています。グラスファイバーはもともと第二次世界大戦中にイギリスとアメリカでレーダードームの製造に使用されました。グラスファイバーの用途には、建築材料、ボートの船体、自動車のボディ部品、航空宇宙用複合材料などがあります。[ 92 ] [ 89 ] [ 91 ]
ガラス繊維ウールは、優れた断熱材および遮音材であり、建物（屋根裏や壁の断熱など）、配管（パイプの断熱など）、防音などに一般的に使用されています。[ 92 ]これは、溶融ガラスを遠心力で細かいメッシュに通し、押し出されたガラス繊維を高速の空気の流れで短い長さに切断することによって製造されます。繊維は接着剤スプレーで結合され、得られたウールマットは切断され、ロールまたはパネルに梱包されます。[ 60 ]
一般的なシリカ系ガラスの他に、金属、アルミン酸塩、リン酸塩、ホウ酸塩、カルコゲニド、フッ化物、ゲルマニウム酸塩（ GeO 2をベースとしたガラス）、テルライト（TeO 2をベースとしたガラス）、アンチモン酸塩（Sb 2 O 3をベースとしたガラス）、ヒ酸塩（As 2 O 3をベースとしたガラス）、チタン酸塩（TiO 2をベースとしたガラス）、タンタル酸塩（Ta 2 O 5 をベースとしたガラス）、硝酸塩、炭酸塩、プラスチック、アクリル、その他多くの物質を含む、他の多くの無機および有機材料もガラスを形成する可能性があります。 [ 6 ]これらのガラスの一部（例えば、二酸化ゲルマニウム（GeO 2、ゲルマニア）は、多くの点でシリカ、フッ化物、アルミン酸塩、リン酸塩、ホウ酸塩、カルコゲナイドガラスの構造類似体である）は、通信ネットワークの光ファイバー導波路やその他の特殊な技術用途への応用に有用な物理化学的特性を有している。[ 94 ] [ 95 ]
シリカを含まないガラスは、ガラス形成性が低い場合が多い。冷却速度を上げたり、結晶核生成の引き金となる要因を減らしたりするために、空気力学的浮揚（溶融物をガス流に浮かべながら冷却する）による容器なし処理や、スプラットクエンチング（溶融物を2つの金属製アンビルまたはローラーの間に挟んでプレスする）などの新しい技術が使用されることがある。[ 96 ] [ 97 ] [ 98 ]
従来、極めて高速な冷却速度を用いることで、表面積の大きい形状（リボン、ワイヤー、フィルムなど）の非晶質金属を少量生産してきた。非晶質金属ワイヤーは、溶融金属を回転する金属ディスク上にスパッタリングすることで製造されてきた。 [ 99 ] [ 100 ]
厚さ1ミリメートルを超える層状の合金がいくつか製造されている。これらはバルク金属ガラス（BMG）として知られている。リキッドメタルテクノロジーズ社は、ジルコニウムをベースとしたBMGを数種類販売している。
また、従来の鋼合金に見られるものよりもはるかに優れた機械的特性を示す非晶質鋼も製造されている。[ 101 ]
実験的証拠は、Al-Fe-Si 系が溶融状態から急速冷却すると、アモルファス形態 (「q-ガラス」と呼ばれる) への一次相転移を起こす可能性があることを示している。透過型電子顕微鏡(TEM) 画像は、q-ガラスが溶融状態から離散的な粒子として核生成し、あらゆる方向に均一な球状成長を示すことを示している。X線回折はq-ガラスの等方性を明らかにしているが、核生成障壁が存在し、ガラス相と溶融相の間に界面不連続 (または内部表面) が存在することを示唆している。[ 102 ] [ 103 ]
重要なポリマーガラスには、非晶質およびガラス状の医薬品化合物が含まれます。これらの化合物は、同じ結晶組成と比較して非晶質の場合に溶解度が大幅に増加するため有用です。多くの新薬は、結晶形態では実質的に不溶性です。[ 104 ]日常的に使用されている多くのポリマー熱可塑性樹脂はガラスです。ガラス瓶や眼鏡などの多くの用途では、ポリマーガラス（アクリルガラス、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート）は、従来のガラスよりも軽量な代替品です。[ 105 ]
分子液体、電解質、溶融塩、および水溶液は、共有結合ネットワークを形成せず、弱いファンデルワールス力または一時的な水素結合のみを介して相互作用する異なる分子またはイオンの混合物です。サイズと形状が異なる 3 種以上のイオン種の混合物では、結晶化が非常に困難であるため、液体は容易に過冷却されてガラスになることがあります。[ 106 ] [ 107 ]例としては、組成範囲 4<R<8 の LiCl:R H2O (塩化リチウム塩と水分子の溶液) があります。[ 108 ]砂糖ガラス、[ 109 ]またはCa0.4K0.6 ( NO3 ) 1.4があります。[ 110 ] BaドープLiガラスおよび Ba ドープ Na ガラスの形のガラス電解質は、現代のリチウムイオン電池セルで使用される有機液体電解質で確認された問題の解決策として提案されています。[ 111 ]
ガラスのバッチの準備と混合の後、原料は炉に運ばれます。大量生産用のソーダ石灰ガラスは、ガラス溶解炉で溶融されます。特殊ガラス用の小型炉には、電気溶解炉、ポット炉、デイタンクなどがあります。[ 76 ] 溶融、均質化、精製（気泡の除去）の後、ガラスが成形されます。これは、熱い半溶融ガラスの塊を集め、中空の吹き管を使用してそれを泡状に膨らませ、吹き、揺らし、転がし、または成形することによって必要な形状に成形するガラス吹きによって手動で行うことができます。熱いうちに、ガラスは手工具を使用して加工したり、はさみで切断したり、ハンドルや脚などの追加部品を溶接で取り付けたりすることができます。[ 112 ]窓や同様の用途の板ガラスは、フロートガラス法によって作られます。この方法は、1953年から1957年にかけて英国のピルキントン・ブラザーズのサー・アラステア・ピルキントンとケネス・ビッカースタッフによって開発され、溶融スズ浴を使用して連続したガラスリボンを製造します。溶融ガラスは重力の影響で妨げられることなく流れます。ガラスの上面は窒素ガスを加圧して研磨仕上げにします。[ 113 ]一般的なボトルや瓶の容器ガラスは、吹き込みとプレス法によって作られます。[ 114 ]このガラスは、耐水性を高めるために、化学的にわずかに改質されることがよくあります（アルミナと酸化カルシウムを多く添加）。[ 115 ]
目的の形状が得られたら、通常、ガラスは応力を除去し、硬度と耐久性を高めるために焼きなましされます。 [ 116 ]化学的耐久性（ガラス容器コーティング、ガラス容器内部処理）、強度（強化ガラス、防弾ガラス、フロントガラス[ 117 ]）、または光学特性（断熱ガラス、反射防止コーティング）を向上させるために、表面処理、コーティング、または積層が行われる場合があります。[ 118 ]
新しい化学ガラス組成物や新しい処理技術は、まず小規模な実験室実験で調査することができます。実験室規模のガラス溶融の原料は、コスト要因の優先順位が低いため、大量生産で使用される原料とは異なることがよくあります。実験室では、主に純粋な化学物質が使用されます。原料が環境中の水分や他の化学物質（アルカリ金属やアルカリ土類金属の酸化物や水酸化物、または酸化ホウ素など）と反応していないこと、または不純物が定量化されていること（強熱減量）に注意する必要があります。[ 119 ]原料の選択時には、ガラス溶融中の蒸発損失を考慮する必要があります。たとえば、亜セレン酸ナトリウムは、蒸発しやすい二酸化セレン（SeO2 ）よりも好ましい場合があります。また、水酸化アルミニウム（Al(OH) 3）がアルミナ（Al2O3 ）よりも反応しやすい原料が、比較的反応性の低い原料よりも好ましい場合があります。通常、溶融は、るつぼ材料からの汚染を減らすために、白金るつぼで行われます。ガラスの均質性は、原料混合物（ガラスバッチ）を均質化し、溶融物を攪拌し、最初の溶融物を粉砕して再溶解することによって達成されます。得られたガラスは、通常、加工中の破損を防ぐために焼きなましされます。 [ 119 ] [ 120 ]
ガラスの色は、均一に分布した帯電イオン（またはカラーセンター）を添加することによって得られます。通常のソーダ石灰ガラスは薄片では無色に見えますが、酸化鉄(II) (FeO) 不純物によって厚片では緑色になります。[ 121 ]ガラスに紫色を与える二酸化マンガン(MnO 2 ) は、FeO による緑色を取り除くために添加されることがあります。[ 122 ] FeO と酸化クロム(III) (Cr 2 O 3 ) 添加剤は、緑色のボトルの製造に使用されます。[ 121 ] 一方、酸化鉄(III) は、黄色または黄褐色のガラスを生成します。 [ 123 ]低濃度 (0.025 ～ 0.1%) の酸化コバルト(CoO) は、濃い青色のコバルトガラスを生成します。[ 124 ]クロムは非常に強力な着色剤であり、濃い緑色になります。[ 125 ]硫黄は炭素と鉄塩と結合して、黄色からほぼ黒色までの琥珀色のガラスを生成する。 [ 126 ]ガラス溶融物は還元燃焼雰囲気からも琥珀色を帯びることがある。[ 127 ]硫化カドミウムはインペリアルレッドを生成し、セレンと結合すると黄色、オレンジ、赤の色合いを生成できる。[ 121 ] [ 123 ]酸化銅(II) (CuO)を加えるとガラスにターコイズ色が生じるが、酸化銅(I) (Cu 2 O) では鈍い赤褐色になる。[ 128 ]
ソーダ石灰板ガラスは、一般的に透明なガラス材料として、建物の外壁の窓などに使用されます。フロートまたはロール板ガラス製品は、材料に切り込みを入れて折る、レーザー切断、ウォータージェット、またはダイヤモンドブレードソーのいずれかによってサイズに合わせて切断されます。ガラスは、安全性のために熱的または化学的に強化され、加熱中に曲げられたり湾曲したりすることがあります。表面コーティングは、耐傷性、特定の波長の光（赤外線や紫外線など）の遮断、汚れの付着防止（セルフクリーニングガラスなど）、または切り替え可能なエレクトロクロミックコーティングなどの特定の機能のために追加されることがあります。[ 129 ]
構造用ガラスシステムは、現代における最も重要な建築革新の1つであり、ガラス張りの建物が多くの現代都市のスカイラインを支配している。[ 130 ]これらのシステムでは、ガラスパネルの角のくぼみに埋め込まれたステンレス鋼の金具を使用することで、強化されたガラスが支えられていないように見え、フラットな外観を実現している。[ 130 ]構造用ガラスシステムの起源は、19世紀の鉄とガラスの温室にある。 [ 131 ]
ガラスは食器の重要な構成要素であり、一般的には水、ビール、ワイン用のグラスに使用されます。[ 51 ]ワイングラスは通常、ステムウェア、つまりボウル、ステム、台座から形成されたゴブレットです。鉛クリスタルガラスは、カットや研磨によって、光沢のあるファセットを持つ装飾的なグラスにすることができます。[ 132 ] [ 133 ]食器におけるガラスのその他の用途には、デカンタ、水差し、皿、ボウルなどがあります。[ 51 ]
ガラスは不活性で不浸透性であるため、ガラス瓶やガラス容器として食品や飲料の包装に安定して広く使用されている材料です。容器用ガラスのほとんどはソーダ石灰ガラスで、吹き込みとプレス成形技術によって製造されます。容器用ガラスは、平板ガラスよりも酸化マグネシウムと酸化ナトリウムの含有量が少なく、シリカ、酸化カルシウム、酸化アルミニウムの含有量が多くなっています。[ 134 ]水に不溶性の酸化物の含有量が多いことで、水に対する化学的耐久性がわずかに高くなり、飲料や食品の保存に有利になります。ガラス包装は持続可能で、リサイクルが容易で、再利用および詰め替えが可能です。[ 135 ]
電子機器用途では、ガラスは集積受動デバイス、薄膜バルク音響共振器の製造における基板として、またデバイスパッケージの気密封止材として使用できます。 [ 136 ] [ 137 ]これには、大量生産される集積回路やその他の半導体の非常に薄い完全ガラスベースの封止も含まれます。[ 138 ]
ガラスは、比較的安価で、実験に必要な形状に容易に成形でき、清潔に保ちやすく、熱や冷処理に耐えることができ、多くの試薬と一般的に反応せず、透明性により化学反応やプロセスを観察できるため、科学実験室で実験装置を製造するための重要な材料です。[ 139 ] [ 140 ]実験用ガラス器具の用途には、フラスコ、ペトリ皿、試験管、ピペット、メスシリンダー、化学処理用のガラスライニング金属容器、分画カラム、ガラス管、シュレンクライン、ゲージ、温度計などがあります。[ 141 ] [ 139 ] 1920年代以降、ほとんどの標準的な実験用ガラス器具は大量生産されていますが、科学者は今でも熟練したガラス職人を雇って、実験の要件に合わせた特注のガラス器具を製造しています。[ 142 ]
ガラスは、光を屈折、反射、透過させる能力があるため、光学分野で広く用いられている材料です。これらの光学特性は、化学組成、熱処理、製造技術を変えることで制御できます。光学分野におけるガラスの用途は多岐にわたり、視力矯正用ガラス、イメージング光学系（望遠鏡、顕微鏡、カメラのレンズやミラーなど）、電気通信技術における光ファイバー、集積光学などがあります。マイクロレンズや屈折率勾配光学系（屈折率が不均一な場合）は、光ディスクの読み取り、レーザープリンター、コピー機、レーザーダイオードなどに利用されています。[ 56 ]
ガラスは、深地層に直接処分すると水溶性放射性核種で地下水を汚染する高レベル放射性廃棄物の固定化に使用されます。[ 143 ] [ 144 ]ガラスは、高い化学的耐久性と、さまざまな化学元素を構造に組み込む能力があるため、この固定化に適しています。[ 145 ]特に、アルカリホウケイ酸ガラスはこの目的で最も一般的なガラスであり、標準化された耐久性試験に使用される単純な6酸化物アルカリホウケイ酸ガラスである国際単純ガラス[ 146 ]が含まれます。米国やロシアなどの一部の国では、代わりにリン酸塩ガラスを使用しています。 [ 147 ]
19世紀には、古代のガラス製造技術が復活し、ローマ帝国以来初めてカメオガラスが作られるようになった。当初は主に新古典主義様式の作品に用いられた。アール・ヌーヴォー運動ではガラスが多用され、フランスにおけるこの運動の最初の波では、ルネ・ラリック、エミール・ガレ、ナンシーのドームなどが、カメオガラスやラスターガラスの技法を用いて、色鮮やかな花瓶や同様の作品を制作した。[ 148 ]
アメリカのルイス・コンフォート・ティファニーは、ステンドグラス、特に世俗的なものと宗教的なものの両方を専門とし、パネルや有名なランプを制作しました。20世紀初頭には、ウォーターフォードやラリックなどの企業によるガラス工芸品の大規模な工場生産が見られました。小規模な工房では、ガラス工芸品を手作業で制作することもあります。ガラス工芸品の制作技術には、吹きガラス、窯鋳造、溶融、スランピング、パート・ド・ヴェール、火炎加工、熱彫刻、冷間加工などがあります。冷間加工には、伝統的なステンドグラス作品や、室温でガラスを成形するその他の方法が含まれます。ガラスで作られたものには、容器、ペーパーウェイト、ビー玉、ビーズ、彫刻、インスタレーション作品などがあります。[ 149 ]
{{cite book}}: CS1メンテナンス: 場所の発行元が見つかりません (リンク){{cite book}}ISBN /日付の不一致（ヘルプ）
