كيف يتكون لون الزجاجة؟ - مايباك

من أين أتت هذه الألوان الزجاجية الجميلة؟

عادي زجاجات زجاجية يُصنع الزجاج الملون عن طريق صهر رمل الكوارتز وكربونات الصوديوم والحجر الجيري معًا. وهو خليط من السيليكات ذات تركيب غير ثابت. كان أول زجاج صنعه الإنسان عبارة عن قطع صغيرة من الزجاج ذات شفافية ضعيفة ولون باهت. لم يُضف الإنسان اللون عمدًا، بل كان نتيجة اختلاط المواد الخام غير النقية بالشوائب. في ذلك الوقت، كانت زجاجات الزجاج الملون تُستخدم للزينة فقط، ولم تكن المتطلبات عالية. كان الناس ينتجون الزجاج الملون عن طريق الصدفة. أما الزجاج الملون الذي نحتاجه اليوم، فيتطلب معايير علمية عالية جدًا، ولا يمكن إنتاجه إلا بعد اكتشاف سر لونه. زجاجة تم الكشف عن ذلك.

بعد البحث، تبيّن أنه بإضافة نسبة تتراوح بين 0.4 و0.7% من الملونات إلى خليط الزجاج العادي، يمكن تلوين الزجاج. تتكون الملونات في الغالب من أكاسيد المعادن. وكما هو معروف، لكل عنصر معدني بصمته الطيفية المميزة، لذا فإن أكاسيد المعادن المختلفة تُظهر ألوانًا مختلفة. عند إضافة هذه الأكاسيد إلى خليط الزجاج، يتلون الزجاج. على سبيل المثال، بإضافة أكسيد الكروم (Cr2O3)، يصبح الزجاج أخضر اللون؛ وبإضافة ثاني أكسيد المنغنيز (MnO2)، يصبح بنفسجيًا؛ وبإضافة أكسيد الكوبالت (Co2O3)، يصبح أزرق اللون. وتُصنع النظارات الواقية التي يستخدمها عمال الصلب ولحامو الكهرباء من هذا الزجاج.

في الواقع، لون زجاجات زجاجية لا يعتمد لون الزجاج على الملونات المضافة فحسب، بل يعتمد أيضًا على تعديل تكافؤ العناصر من خلال درجة حرارة الانصهار وخصائص لهب الفرن، مما يُكسبه ألوانًا مختلفة. على سبيل المثال، إذا وُجد النحاس في الزجاج على شكل أكسيد النحاس عالي الجودة، فسيظهر الزجاج بلون أزرق مخضر؛ أما في وجود أكسيد النحاس الأحادي (Cu2O) منخفض الجودة، فسيظهر الزجاج بلون أحمر. في بعض الأحيان، لا يظهر الزجاج لونه الزاهي بعد عملية صهر واحدة، ويتطلب الأمر تسخينه مرة أخرى لإظهار لونه. هذا هو الحال مع الزجاج الأحمر الذهبي الثمين، الذي يُصنع بإضافة كمية صغيرة من الذهب إلى مكونات الزجاج العادي. بعد الصهر الأول، يتوزع الذهب في الزجاج على شكل ذرات، ولا يظهر الزجاج لونه في هذه المرحلة؛ وعند تسخينه مرة أخرى إلى درجة حرارة قريبة من درجة التليين، تتجمع ذرات الذهب فيه لتشكل جزيئات غروانية، فيظهر الزجاج حينها بلونه الأحمر الجميل.

يستخدم الناس اليوم أكاسيد العناصر الأرضية النادرة كملونات لصنع أنواع مختلفة من الزجاج الملون عالي الجودة. يتميز الزجاج الملون المُطعّم بهذه العناصر بلون صافٍ وساطع، بل ويتغير لونه باختلاف الإضاءة. على سبيل المثال، يتميز زجاج أكسيد النيوديميوم بهذه الخاصية، إذ يظهر بلون أحمر بنفسجي تحت أشعة الشمس، وأزرق بنفسجي تحت الإضاءة الفلورية، ما يضفي عليه جمالًا أخاذًا. يوجد نوع من الزجاج يتغير لونه بتغير شدة الضوء، ويُستخدم في عدسات النظارات وزجاج نوافذ المنازل. يُتيح استخدام هذا النوع من الزجاج في النوافذ الحفاظ على قدر معين من الإضاءة في الغرفة، ما يُغني عن استخدام الستائر لحجب أشعة الشمس، ولذا يُطلق عليه البعض اسم "الستائر الآلية". كما أنه يحجب الأشعة فوق البنفسجية. بعد تجهيز المكتبات والمتاحف بهذا النوع من الزجاج، يُمكن حماية الكتب والتحف الثقافية من الأشعة فوق البنفسجية.

بالإضافة إلى العناصر الأرضية النادرة، يمكن أيضًا صنع زجاج متغير اللون عن طريق إضافة التنجستن والبلاتين مباشرة إلى الزجاج.

تتلاشى الأصباغ العادية بفعل الأشعة فوق البنفسجية في الشمس أو بفعل الأكسجين وثاني أكسيد الكبريت في الهواء؛ أما الزجاج الملون فيقاوم الشمس والمطر لأن أكاسيد المعادن، التي تلعب دورًا في التلوين، تندمج مع الزجاج. فيبقى الزجاج الملون زاهيًا وجميلًا إلى الأبد. ومع تطور العلم والتكنولوجيا، سيزداد تنوع الزجاج الملون، وستزداد حياتنا جمالًا بفضل زخرفته وجماله.

ببساطة، الزجاج هو مادة تُظهر ألوانًا مختلفة من خلال امتصاص الضوء ذي طول موجي معين، وعكسه، ونقله. يُستخدم بشكل أساسي في أبواب ونوافذ المرافق العامة في المباني، وفي مواد التكسية الداخلية والخارجية. توجد عمليتان لتلوين الزجاج: تلوين المادة نفسها، وتلوين السطح.

تلوين المواد

يمكن تقسيم عملية إضافة المواد التي يمكن أن تشكل أيونات ملونة، وغرويات مركبة، وجزيئات غروية معدنية إلى المواد الخام الزجاجية لجعلها تظهر بألوان مختلفة إلى أربعة أنواع وفقًا لآلية التلوين.

1. التلوين الأيوني: هو مركب يضيف عناصر انتقالية مثل الكوبالت (Co) والمنغنيز (Mn) والنيكل (Ni) والحديد (Fe) والنحاس (Cu) إلى الزجاج المسحوق، ويوجد في الزجاج في حالة أيونية، لأن إلكترونات التكافؤ الخاصة بها موجودة في الانتقال بين مستويات الطاقة المختلفة (الحالة الأرضية والحالة المثارة) مما يؤدي إلى امتصاص انتقائي للضوء المرئي وتلوينه، مثل الأزرق الكوبالتي والبنفسجي المنجنيزي والأخضر النيكلي وأنواع أخرى من الزجاج الملون.

2. الجسيمات الغروية المركبة الملونة: بإضافة مركبات الكبريت أو السيلينيوم (مثل CdS، CdSe، إلخ) ينمو CdSe إلى جسيمات غروية أكبر، ويصبح الزجاج ملونًا بسبب تشتت الضوء، مثل الأحمر السيلينيوم والأصفر الكادميوم وأنواع الزجاج الملون الأخرى.

3. تلوين الجسيمات الغروية المعدنية: يتم ذلك بإضافة أكاسيد سهلة التحلل إلى الحالة المعدنية (مثل الذهب والفضة والنحاس وغيرها) إلى المواد الخام الزجاجية، حيث تذوب أولاً في الزجاج في الحالة الأيونية، ثم تتحول إلى الحالة الذرية بعد المعالجة الحرارية، وتتجمع وتنمو لتشكل جسيمات غروية. يؤدي تشتت الضوء إلى امتصاص الضوء المرئي، مما ينتج عنه ألوان مثل الأحمر الذهبي، والأحمر النحاسي، والأصفر الفضي، وغيرها من أنواع الزجاج الملون.

٤. تلوين أشباه الموصلات: يتم ذلك بإضافة كبريتيد الكادميوم (CdS) وسيلينيد الكادميوم (CdSe) وتيلوريد الكادميوم (CdTe) وغيرها من الملونات إلى مسحوق الزجاج، فلا تظهر قمة امتصاص في منطقة الضوء المرئي، بل منطقة امتصاص متصلة، ويفصل بين منطقتي نفاذية الضوء والامتصاص خط فاصل حاد. وبخلاف آليات التلوين المذكورة سابقًا، يتغير لون هذا التلوين بتغير نسبة CdS/CdSe. فعلى سبيل المثال، عندما تكون نسبة CdS أعلى، يكون اللون أقرب إلى البرتقالي، وعندما تكون نسبة CdSe أعلى، يكون اللون أحمر، وعندما تكون نسبة CdTe أعلى، يكون اللون أسود، أي أن ترتيب هذه الأيونات، بناءً على O₂⁻، S₂⁻، Se₂⁻، Te₂⁻، يتجه نحو الأطوال الموجية الأطول. وفقًا لنظرية نطاق طاقة أشباه الموصلات، يصبح الجهد المحب للإلكترونات لهذه الأنيونات أصغر بدوره، ويمكن إثارة إلكترونات التكافؤ الخاصة بها إلى نطاق التوصيل (الحالة المثارة) عن طريق استخدام ضوء منخفض الطاقة (قريب من الضوء المرئي) بشكل متسلسل، مما يؤدي إلى قطع حد الموجة. سيؤدي دخول منطقة الضوء المرئي إلى تلوين الزجاج.

تلوين السطح

تُستخدم هذه التقنية لطلاء سطح الزجاج بالمعادن، أو أكاسيد المعادن، أو غيرها، لتكوين طبقة ملونة شفافة أو شبه شفافة أو معتمة. ويمكن تحضير طبقة زرقاء من أكسيد القصدير (SnO2) وطبقة ذهبية من أكسيد الحديد (Fe2O3) عن طريق طلاء سطح الزجاج بكلوريد القصدير (SnCl4) وكلوريد الحديد (FeCl3) باستخدام طريقة التحلل الكيميائي الحراري. ويمكن تحضير طبقات معدنية مثل الذهب والفضة والنحاس، أو طبقات من أكاسيد المعادن مثل أكسيد الإنديوم (In2O3) وأكسيد القصدير (SnO2) وثاني أكسيد التيتانيوم (TiO2)، باستخدام التبخير الفراغي، أو الترسيب بالرش الكاثودي الفراغي، أو الترسيب التفاعلي، وغيرها. وتُنتج هذه التقنية طبقات عاكسة وطبقات تداخل بألوان مختلفة. وفي خط إنتاج الزجاج المصقول، يمكن استخدام طريقة التعويم الكهربائي أو الرش الحراري لإنتاج زجاج ملون. كما يمكن طباعة الزجاج أو رشه بطلاء ملون لإنتاج زجاجات زجاجية مصقولة.