Vetro

Non so se riuscirò a trovare parole adatte per descrivere il fascino del vetro .
Uno storico dell' arte saprebbe procurarvi emozioni accompagnando con adeguate suggestioni la contemplazione di un manufatto quale il vaso Portland, la coppa di Licurgo o una meravigliosa creazione contemporanea. Io, chimico, vorrei riuscire a incantarvi raccontandovi cose altrettanto suggestive sul vetro della vostra finestra in cucina, del vostro bicchiere o della pirofila ( piena di patate) che state per infornare.
Ridicolo? Forse. Penso però che la bellezza abbia molti aspetti e saperli riconoscere e apprezzare può rendere il quotidiano meno grigio e scontato.
Perché dunque non provare a fare un brevissimo viaggio attraverso il vetro? Seguitemi, è gratis!
Cominciamo con i "si racconta" ovvero il mito
LEGGENDA FENICIA: tramandata da Plinio il Vecchio (23-79 d.C.), alcuni mercanti, tornando dall'Egitto con un grosso carico di carbonato e bicarbonato di sodio (detto anche "natrum" cioè salnitro), si fermarono una sera sulle rive del fiume Belo per riposare. Non avendo pietre a disposizione su cui collocare gli utensili per la preparazione delle vivande, presero alcuni blocchi di salnitro e vi accesero sotto il fuoco che continuò a bruciare per tutta la notte. Al mattino i mercanti videro con stupore che al posto della sabbia del fiume e del carbonato di soda vi era una nuova materia lucente e trasparente.
IL VETRO FLESSIBILE dal Satyricon di Petronio. Durante la sua famosa cena,Trimalcione raccontava, vantandosi dei materiali pregiatissimi delle sue stoviglie concludendo le sue bizzarre considerazioni con questa frase:
Lasciatemelo dire, però: io per me preferisco il vetro, almeno non puzza. Che se non fosse fragile, io per me lo preferirei all'oro. Così invece vale niente. [...]Satyricon, c. 50
Nel capitolo successivo compare la novella del vetro flessibile in cui si narra di un artigiano "qui fecit phialam vitream, quae non frangebatur". Per questa sua invenzione venne ammesso al cospetto dell'imperatore (Tiberio per la cronaca) e in sua presenza lanciò il manufatto sul pavimento e nello stupore generale la raccolse solo lievemente ammaccato come fosse stato di bronzo. Poi con un martelletto rimise apposto le ammaccature. Naturalmente dopo questa spettacolare dimostrazione, si aspettava una ricompensa, perciò, quando gli fu chiesto se qualcun altro fosse a conoscenza del metodo di fabbricazione di quel vetro, rispose di essere l'unico depositario del segreto.
Saputo ciò, Cesare lo fece decapitare: "quia enim, si scitum esset, aurum pro luto haberemus"
Perché se si fosse saputo, l'oro sarebbe stato considerato alla stregua del fango( eufemismo).
E fu così che il vetro continuò a rompersi indisturbato, mentre la lungimiranza scientifico/ tecnologica degli imperatori romani si trasmetteva, di casta in casta, agli italici gestori del potere, giungendo intatta ai giorni nostri.

Fuit tamen faber qui fecit phialam vitream, quae non frangebatur.
Admissus ergo Ceasarem est cum suo munere, deinde fecit reporrigere Caesari et illam in pavimentum proiecit. Caesar non pote valdius quam expavit. At ille sustulit phialam de terra; collisa erat tamquam vasum aeneum. Deinde martiolum de sinu protulit et phialam otio belle correxit.
Hoc facto putabat se coleum Iovis tenere, utique postquam illi dixit:"Numquid alius scit hanc condituram vitreorum?"
Vide modo. Postquam negavit, iussit illum Caesar decollari: quia enim, si scitum esset, aurum pro luto haberemus

L' infografica racconta per sommi capi la lunga storia del vetro, un'affascinante intreccio di arte e tecnologia ancor oggi accresciuto da nuove scoperte e tecnologie.

Ma che cos'è il vetro? Risposta non facile
Il vetro è tutto o quasi, e il contrario di tutto:

trasparente o opaco
colorato in tutti i colori e con tonalità inimmaginabili
solubile anche in acqua oppure resistentissimo a molti attacchi chimici
conduttore elettrico o isolante
flessibile o estremamente rigido

può essere tagliato, lavorato, prodotto in forme leggiadre, in pezzi enormi, in fibre, in lastre, in bulk, in polvere, ecc.
Tutto questo perché non esiste un solo vetro, ma innumerevoli vetri .
Parlando di vetro ci riferiamo a un vero e proprio stato della materia e precisamente
Lo stato vetroso è quello di un solido bloccato nella struttura disordinata di un liquido (fase amorfa).

Un' altra sua caratteristica è quella di presentare una particolare temperatura di trasformazione, chiamata temperatura di transizione vetrosa (Tg) che si evidenzia sottoponendo il vetro a riscaldamento o raffreddamento e misurando corrispondentemente la variazione di alcune proprietà termodinamiche come densità, coefficiente di dilatazione lineare, volume specifico, entalpia.

Per chiarire un po' meglio queste definizioni ( e non perdere viaggiatori per strada)
diamo un' occhiata al vetro più semplice quello formato per fusione e raffreddamento della silice SiO2, vale a dire, la sabbia.
Sì, proprio la sabbia, quella delle spiagge, quella che ritroviamo ovunque dopo essere stati una giornata al mare, quella che pensiamo di poter descrivere in due parole e che invece è in grado di riempire pagine e pagine di libri con la sua storia ( es: Raymond Siever - Sabbia -Zanichelli 1997 ).

Se potessimo entrare in uno di quei granelli di sabbia ci troveremmo in uno strano edificio formato dalla disposizione ordinata e periodica di un modulo: una piramide tetraedrica con il silicio al centro e quattro ossigeni disposti agli angoli in modo simmetrico . La formula chimica è SiO4 con 4-cariche negative

Proviamo ora a fondere la sabbia. La silice ha una temperatura di fusione intorno ai 1700°C e il suo aspetto, a quella temperatura, assomiglia a quello del preziosissimo aceto balsamico tradizionale di Modena.
Se si raffredda velocemente la silice liquida, si forma una rete disordinata di tetraedri legati per i loro angoli che danno origine a un materiale amorfo chiamato vetro di silice.

Questa disposizione degli atomi è quella, ipotizzata nel 1932 da Zachariasen ed è parte della teoria conosciuta col nome del "random network" o reticolo casuale.
Recentemente gli scienziati sono riusciti a produrre un vetro dello spessore di soli 2 atomi.

Indagando sulla struttura di questo vetro con sofisticati sistemi di indagine, sono riusciti ad ottenere un'immagine del reticolo vetroso che assomiglia in modo straordinario al reticolo disegnato dal fisico norvegese

Gli stessi scienziati, per capire la fibra più profonda del vetro, cioè la sua struttura atomica, l'hanno messa in moto, come a mimare una "danza", scoprendo così in che modo questo materiale si deformi passando dallo stato solido a quello liquido.

Qui potrete vedere il video.

Ma torniamo al nostro vetro di silice. Come abbiamo visto, la silice (sabbia) fonde a temperatura elevata (1723°C) e dà luogo, per raffreddamento rapido ad un solido amorfo (vetro silice). Il vetro di sola silice rammollisce ( raggiunge cioè quell'intervallo di temperatura in cui è più facilmente lavorabile) a temperatura molto alta e dà un liquido molto viscoso, in cui le molecole scorrono con estrema difficoltà le une sulle altre.
Per abbassare la temperatura di rammollimento e quindi la temperatura di lavorazione, si devono rompere alcuni collegamenti tra le molecole di silice. Ciò si ottiene introducendo nel reticolo atomi che lo modificano come ad esempio il sodio.

Così facendo però il vetro si indebolisce diventando addirittura solubile in acqua! È necessario quindi aggiungere gli stabilizzanti, generalmente ossidi di Ca introdotti nella miscela sottoforma di carbonati .
Ricapitolando possiamo pensare al vetro come formato tra tre tipi di ossidi diversi:

Vetrificanti Rappresentano l'elemento essenziale dello stato vetroso che compone il reticolo amorfo del vetro
- SiO2 (ossido di Silicio - SIlice) Tf = 1713°C
- B2O3 (ossido di boro- Borace)

Fondenti Aiutano il processo di fusione abbassandone la
temperatura
- Na2O(Soda - tipicamente si usa Na2CO3)
* (75%SiO2 - 25% Na2O _ Tf = 793°C)
Stabilizzanti - Conferiscono maggiore stabilità e resistenza
fisica e chimica al vetro
- CaO (Marmo) - MgO (Magnesia) - Al2O3 (Allumina) - BaO - PbO

I vetri, a differenza dei cristalli, non hanno una stechiometria da rispettare e quindi è possibile "modulare" le proprietà chimico-fisiche cambiando anche di poco la composizione.
In questo modo è possibile ottenere una vastissima varietà di vetri con caratteristiche tecnologiche diversissime. Eccone alcuni:
Vetro al piombo: è caratterizzato da brillantezza, elevato indice di rifrazione per la luce e bassa temperatura di rammollimento. A questa classe appartengono i "cristalli"nome commerciale che può creare qualche confusione!
Vetri di borosilicati: sono caratterizzati da alta temperatura di rammollimento, buona resistenza agli sbalzi termici e buona lavorabilità. Questi tipi di vetro rappresentano il mezzo più sicuro di smaltimento dei rifiuti radioattivi, grazie alla capacità di resistenza alla corrosione ed al valore particolarmente basso del coefficiente di diffusione degli ioni radioattivi.
Vetro sodico calcico: la sua miscela è caratterizzata dalla presenza di ossido di calcio che diminuisce il limite di cristallizzazione del vetro, aumentandone la persistenza nel tempo. A questa classe appartengono i vetri comuni quali, ad esempio, quelli da finestre o per contenitori.
Questo tipo di vetro può essere incolore oppure colorato di verde per la presenza di piccole percentuali di sali di ferro, come nel caso dei vetri per bottiglie.
Per ottenere dei vetri perfettamente incolori occorre aggiungere decoloranti.

Si tratta di alcuni elementi che, in piccola quantità, correggono la tonalità di colore secondo un principio fisico(sovrapposizione di un colore complementare che annulla quello ad esempio del ferro) o chimico(ossidazione o riduzione dell'elemento colorante).
Il decolorante più noto, che agisce in tutti e due i modi, è il biossido di manganese che, per questa sua proprietà, era chiamato il sapone dei vetrai. Tuttavia il manganese, fissato nel vetro, ha ancora la capacità di catturare l'energia della luce solare e quindi di ossidarsi, dando al vetro una colorazione giallo-viola.
Ne sono un esempio i lampioni che illuminano piazza San Marco a Venezia. Inizialmente incolori, a causa del manganese sono diventati viola, liberando così una luce soffusa che è divenuta una caratteristica della piazza di sera.

Per questa sua instabilità oggi il manganese è sostituito da una miscela di elementi come il selenio, il cobalto e terre rare che, dosate singolarmente, danno un risultato più completo e stabile

Siamo quasi al termine del viaggio. Per concludere questo mini tour, un pizzico di tecnologia. Sapete come si ottiene una grande lastra di vetro con superfici perfettamente lisce? Con una tecnica, a mio parere spettacolare, inventata nel 1958 da Pilkington:

"Nel processo denominato float glass, la pasta vitrea, proveniente dal crogiolo alla temperatura di 1100 °C, assume forma perfettamente piana in un forno a tunnel la cui base è formata da un letto di 7cm di stagno fuso. Questo è posto in atmosfera condizionata debolmente riducente, contenente azoto e idrogeno, in modo da non essere ossidato. Lo stagno leviga la superficie inferiore del vetro per diretto contatto, mentre la parte superiore si appiattisce per gravità essendo ancora allo stato semifuso. Lo spessore del nastro di vetro float è dato dalla velocità di rotazione dei rulli situati ai bordi della vasca. Un rallentamento dei rulli determina una stesura del vetro liquido a minore velocità e la formazione di un nastro di vetro di maggiore consistenza. Alla fine di quest'ultima fase, il vetro ha raggiunto la temperatura di 600 °C ed è ormai allo stato solido: viene quindi sollevato e posto in un tunnel di raffreddamento. "
Ecco il video che mostra l'intero processo.

Dite quel che vi pare, ma a me fa una certa impressione pensare che il vetro della mia finestra è nato galleggiando su una lucente piscina di stagno fuso!