สีของขวดแก้วเกิดขึ้นได้อย่างไร? - เมย์แพค

สีแก้วที่สวยงามเหล่านี้มาจากไหน?

สามัญ ขวดแก้ว แก้วทำมาจากการหลอมทรายควอตซ์ โซดาแอช และหินปูนเข้าด้วยกัน เป็นส่วนผสมของซิลิเกตที่มีองค์ประกอบไม่คงที่ แก้วชิ้นแรกที่มนุษย์สร้างขึ้นเป็นเพียงเศษแก้วชิ้นเล็กๆ ที่มีความโปร่งใสต่ำและมีสีบ้าง สีเหล่านั้นไม่ได้เกิดจากการเติมสีโดยเจตนา แต่เป็นผลมาจากการที่วัตถุดิบไม่บริสุทธิ์ผสมกับสิ่งเจือปน ในเวลานั้น ขวดแก้วสีใช้เพื่อการตกแต่งเท่านั้น และความต้องการก็ไม่สูงนัก ผู้คนจึงผลิตแก้วสีขึ้นมาโดยบังเอิญ แต่แก้วสีที่เราต้องการในปัจจุบันนั้นมีความต้องการทางวิทยาศาสตร์สูงมาก ซึ่งสามารถผลิตได้ก็ต่อเมื่อมีการค้นพบความลับของสีแล้วเท่านั้น ขวดแก้ว ถูกเปิดเผยแล้ว

จากการวิจัยพบว่า หากเติมสารให้สีในปริมาณ 0.4-0.7% ลงในส่วนผสมของแก้วธรรมดา แก้วก็จะมีสีได้ สารให้สีส่วนใหญ่เป็นออกไซด์ของโลหะ เรารู้กันอยู่แล้วว่าธาตุโลหะแต่ละชนิดมี "ลักษณะเฉพาะทางสเปกตรัม" ของตัวเอง ดังนั้นออกไซด์ของโลหะต่างชนิดกันจึงแสดงสีที่แตกต่างกันได้ หากเติมออกไซด์เหล่านี้ลงในส่วนผสมของแก้ว แก้วก็จะเปลี่ยนสี ตัวอย่างเช่น การเติมโครเมียมออกไซด์ (Cr2O3) จะทำให้แก้วเป็นสีเขียว การเติมแมงกานีสไดออกไซด์ (MnO2) จะทำให้แก้วเป็นสีม่วง การเติมโคบอลต์ออกไซด์ (Co2O3) จะทำให้แก้วเป็นสีน้ำเงิน และแว่นตานิรภัยที่คนงานเหล็กและช่างเชื่อมไฟฟ้าใช้ก็ทำจากแก้วชนิดนี้

อันที่จริง สีของ ขวดแก้ว สีของแก้วไม่ได้ขึ้นอยู่กับสารให้สีที่เติมลงไปเท่านั้น แต่ยังขึ้นอยู่กับการปรับค่าวาเลนซ์ของธาตุต่างๆ ผ่านอุณหภูมิการหลอมและคุณสมบัติของเปลวไฟในเตาหลอมด้วย ทำให้แก้วแสดงสีที่แตกต่างกัน ตัวอย่างเช่น ทองแดงในแก้ว หากอยู่ในรูปของทองแดงออกไซด์ที่มีราคาสูง แก้วจะปรากฏเป็นสีเขียวอมฟ้า แต่ถ้าอยู่ในรูปของคิวปรัสออกไซด์ (Cu2O) ที่มีราคาถูกกว่า แก้วจะปรากฏเป็นสีแดง บางครั้ง แก้วอาจไม่แสดงสีที่สวยงามหลังจากการหลอมครั้งแรก และจำเป็นต้องให้ความร้อนซ้ำอีกครั้งเพื่อให้แก้วแสดงสีออกมา นี่คือกรณีของแก้วสีแดงทองอันล้ำค่า ซึ่งทำโดยการเติมทองคำจำนวนเล็กน้อยลงในส่วนผสมของแก้วธรรมดา หลังจากการหลอมครั้งแรก ทองคำจะกระจายตัวอยู่ในแก้วในรูปของอะตอม และแก้วจะไม่แสดงสีในเวลานั้น เมื่อให้ความร้อนอีกครั้งจนถึงอุณหภูมิที่ใกล้เคียงกับจุดหลอมเหลว อะตอมของทองคำในนั้นจะรวมตัวกันเป็นอนุภาคคอลลอยด์ และแก้วจะปรากฏเป็นสีแดงที่สวยงามในเวลานั้น

ปัจจุบัน ผู้คนใช้สารประกอบออกไซด์ของธาตุหายากเป็นสารให้สีในการผลิตแก้วสีคุณภาพสูงหลากหลายชนิด แก้วสีที่ผสมธาตุหายากจะมีสีใสและสดใส และยังเปลี่ยนสีได้ภายใต้แสงที่แตกต่างกัน ตัวอย่างเช่น แก้วนีโอไดเมียมออกไซด์มีคุณสมบัตินี้ คือจะปรากฏเป็นสีม่วงแดงภายใต้แสงแดด และสีม่วงน้ำเงินภายใต้แสงฟลูออเรสเซนต์ ซึ่งสวยงามมาก นอกจากนี้ยังมีแก้วชนิดหนึ่งที่เปลี่ยนสีตามความเข้มของแสง ผู้คนนำมาใช้เป็นเลนส์แว่นตาและกระจกหน้าต่างบ้าน การใช้แก้วชนิดนี้เป็นกระจกหน้าต่างสามารถรักษาความสว่างในห้องได้ในระดับหนึ่ง และไม่จำเป็นต้องใช้ม่านบังแดด บางคนจึงเรียกว่า "ม่านอัตโนมัติ" มันสามารถกันรังสีอัลตราไวโอเลตจากแสงแดดได้ หลังจากที่ห้องสมุดและพิพิธภัณฑ์ติดตั้งแก้วชนิดนี้แล้ว หนังสือและโบราณวัตถุก็ได้รับการปกป้องจากรังสีอัลตราไวโอเลต

นอกเหนือจากธาตุหายากแล้ว การเติมทังสเตนและแพลทินัมลงในแก้วโดยตรงยังสามารถสร้างแก้วเปลี่ยนสีได้อีกด้วย

สีธรรมดาจะซีดจางลงเนื่องจากรังสีอัลตราไวโอเลตจากแสงแดดหรือปฏิกิริยาของออกซิเจนและซัลเฟอร์ไดออกไซด์ในอากาศ แต่กระจกสีสามารถทนต่อแสงแดดและฝนได้ เพราะออกไซด์ เช่น โลหะ ที่มีบทบาทในการให้สี ได้ถูกหลอมรวมเข้ากับเนื้อกระจกแล้ว ทำให้คงความสวยงามและดูอ่อนเยาว์อยู่เสมอ ด้วยการพัฒนาของวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี ความหลากหลายของกระจกสีจะยิ่งมากขึ้นเรื่อยๆ และชีวิตของเราก็จะมีสีสันมากขึ้นด้วยการประดับตกแต่งของกระจกสีเหล่านี้

กล่าวโดยง่ายคือ กระจกที่แสดงสีต่างๆ โดยการดูดซับ สะท้อน และส่งผ่านแสงที่มีความยาวคลื่นเฉพาะ ส่วนใหญ่ใช้สำหรับประตูและหน้าต่างของอาคารสาธารณะ และเป็นวัสดุตกแต่งภายในและภายนอกอาคาร กระบวนการทำสีกระจกมีสองวิธี คือ การทำสีเนื้อวัสดุและการทำสีพื้นผิว

การระบายสีวัสดุ

กระบวนการเติมสารที่สามารถก่อตัวเป็นไอออนสี คอลลอยด์เชิงผสม และอนุภาคคอลลอยด์โลหะลงในวัตถุดิบแก้วเพื่อให้ปรากฏเป็นสีต่างๆ นั้น สามารถแบ่งออกได้เป็นสี่ประเภทตามกลไกการเกิดสี

1. การให้สีด้วยไอออน: เป็นสารประกอบที่เติมธาตุโลหะทรานซิชัน เช่น โคบอลต์ (Co), แมงกานีส (Mn), นิกเกล (Ni), เหล็ก (Fe), ทองแดง (Cu) ลงในผงแก้ว และอยู่ในสถานะไอออนในแก้ว เนื่องจากอิเล็กตรอนวาเลนซ์ของธาตุเหล่านี้อยู่ในช่วงการเปลี่ยนผ่านระหว่างระดับพลังงานที่แตกต่างกัน (สถานะพื้นฐานและสถานะกระตุ้น) ทำให้เกิดการดูดซับแสงที่มองเห็นได้แบบเลือกเฉพาะ ส่งผลให้เกิดสีต่างๆ เช่น สีน้ำเงินโคบอลต์ สีม่วงแมงกานีส สีเขียวนิกเกล และแก้วสีอื่นๆ

2. อนุภาคคอลลอยด์ผสมสี: การเติมสารประกอบกำมะถันหรือซีลีเนียม (เช่น CdS, CdSe เป็นต้น) CdSe จะเจริญเติบโตเป็นอนุภาคคอลลอยด์ขนาดใหญ่ขึ้น และแก้วจะมีสีเนื่องจากการกระเจิงของแสง เช่น สีแดงซีลีเนียม สีเหลืองแคดเมียม และแก้วสีอื่นๆ

3. การให้สีด้วยอนุภาคคอลลอยด์โลหะ: คือการเติมออกไซด์ที่สลายตัวเป็นโลหะได้ง่าย (เช่น ออกไซด์ของทองคำ เงิน ทองแดง และออกไซด์อื่นๆ) ลงในวัตถุดิบแก้ว โดยจะละลายในแก้วในสถานะไอออนก่อน จากนั้นจึงเปลี่ยนเป็นสถานะอะตอมหลังจากการให้ความร้อนและรวมตัวกันเป็นอนุภาคคอลลอยด์ การกระเจิงของแสงทำให้เกิดการดูดซับแสงที่มองเห็นได้และเกิดสีต่างๆ เช่น สีแดงทอง สีแดงทองแดง สีเหลืองเงิน และแก้วสีอื่นๆ

4. การให้สีด้วยสารกึ่งตัวนำ: คือการเติม CdS, CdSe, CdTe และสารให้สีอื่นๆ ลงในแก้วฟริต โดยไม่มีจุดสูงสุดของการดูดกลืนแสงในช่วงแสงที่มองเห็นได้ แต่จะมีช่วงการดูดกลืนแสงอย่างต่อเนื่อง และช่วงการส่งผ่านแสงกับช่วงการดูดกลืนแสงจะมีเส้นแบ่งที่ชันมาก แตกต่างจากกลไกการให้สีที่กล่าวมาข้างต้น สีของสารกึ่งตัวนำชนิดนี้จะเปลี่ยนไปตามอัตราส่วนของ CdS/CdSe ตัวอย่างเช่น เมื่อมี CdS มากกว่า สีจะใกล้เคียงกับสีส้ม เมื่อมี CdSe มากกว่า สีจะแดง และเมื่อมี CdTe มากกว่า สีจะดำ กล่าวคือ ลำดับของสีจะเรียงตามลำดับ O2-, S2-, Se2-, Te2- โดยจะเลื่อนไปทางทิศทางคลื่นยาว ตามทฤษฎีแถบพลังงานของสารกึ่งตัวนำ ศักยภาพอิเล็กโทรฟิลิกของแอนไอออนเหล่านี้จะลดลงตามลำดับ และอิเล็กตรอนวาเลนซ์ของพวกมันสามารถถูกกระตุ้นไปยังแถบนำไฟฟ้า (สถานะกระตุ้น) ได้โดยใช้แสงที่มีพลังงานต่ำกว่า (ใกล้แสงที่มองเห็นได้) อย่างต่อเนื่อง ทำให้ขอบเขตของคลื่นถูกตัดทอน การเข้าสู่ช่วงแสงที่มองเห็นได้จะทำให้แก้วมีสี

การลงสีพื้นผิว

เป็นการเคลือบโลหะ โลหะออกไซด์ ฯลฯ บนพื้นผิวกระจกเพื่อสร้างชั้นเคลือบสีโปร่งใส โปร่งแสง หรือทึบแสง การเคลือบ SnCl4 และ FeCl3 บนพื้นผิวกระจกด้วยวิธีการสลายตัวทางเคมีด้วยความร้อนสามารถเตรียมฟิล์ม SnO2 สีน้ำเงินและฟิล์ม Fe2O3 สีทองได้ตามลำดับ ฟิล์มโลหะ เช่น ทอง เงิน ทองแดง หรือฟิล์มโลหะออกไซด์ เช่น In2O3, SnO2, TiO2 สามารถเตรียมได้โดยวิธีการระเหยในสุญญากาศ การสปัตเตอร์ด้วยแคโทดในสุญญากาศ การสปัตเตอร์แบบปฏิกิริยา ฯลฯ เพื่อให้ได้ฟิล์มที่มีการรบกวนและฟิล์มสะท้อนแสงที่มีสีแตกต่างกัน ในสายการผลิตกระจกลอยตัว สามารถใช้วิธีการลอยตัวด้วยไฟฟ้าหรือวิธีการพ่นด้วยความร้อนเพื่อทำกระจกสีที่มีพื้นผิวสีได้ นอกจากนี้ยังสามารถพิมพ์หรือพ่นเคลือบสีลงบนกระจกเพื่อทำขวดแก้วเคลือบสีได้อีกด้วย