Silice e vetro

La silice è un composto del silicio con formula chimica SiO₂.
In natura si trova comunemente in forma cristallina come nel minerale del quarzo, che costituisce più del 10% della crosta terrestre, ed è presente in molti organismi viventi.

Sulla sinistra un cristallo di quarzo, sulla destra un frammento di ossidiana.

La silice inoltre è il maggior costituente della sabbia (sabbia silicea) e il costituente principale di diverse rocce, ad esempio la quarzite (roccia metamorfica che deriva dalla trasformazione delle quarzo-areniti) oppure l'ossidiana, un vetro vulcanico che si forma per il rapido raffreddamento di un magma.

Il vetro è un solido amorfo (non-cristallino), di solito trasparente, resistente alla corrosione, è un buon isolante termico e elettrico, ha una densità di circa 2.5g/cm³, una durezza¹ compresa tra 5 e 6 nella scala di Mohs e è riciclabile infinite volte.
Il vetro ha diversi utilizzi pratici e tecnologici, infatti le proprietà di riflessione, rifrazione e trasmissione dei raggi luminosi hanno reso il vetro adatto alla realizzazione di lenti e alla trasmissione ottica dei segnali elettrici (fibre ottiche).

Come si ottiene il vetro

Il vetro si produce per raffreddamento rapido della silice fusa, così da impedire la formazione e la crescita della struttura cristallina e aumentare la viscosità della massa vetrosa.

Il quarzo (a) ha una struttura cristallina, il vetro (b) è un solido amorfo, non ha una struttura cristallina come il quarzo. (credit: Callister)

Storia del vetro

La lavorazione del vetro ha origini antiche, reperti di oggetti in vetro risalenti almeno al 3600 a.C. sono stati ritrovati in Mesopotamia, Siria e Egitto.

Ritrovamenti archeologici di oggetti in vetro, sulla sinistra un vaso egizio, sulla destra dei pendenti ritrovati in Mesopotamia.

La scoperta del vetro fu probabilmente accidentale, forse alcune perline di vetro si formavano naturalmente durante la lavorazione dei metalli.
A raccontare della scoperta del vetro per primo fu Plinio il Vecchio, che parla di una scoperta casuale:

Una nave di commercianti con un carico di soda si trovava da queste parti [sulle coste fenicie, NdT], quando decisero di fermarsi per mangiare a riva. Non c’erano pietre da utilizzare come sostegno per le pentole, così presero dei sacchi dal carico della nave da utilizzare come base: quando questi diventarono caldi si fusero con la sabbia della spiaggia e si formò un liquido sconosciuto, e questa fu l’ortigine del vetro. (Plinio il Vecchio, 362)

Le prime lavorazioni del vetro erano lavorazioni a freddo che avvenivano probabilmente formando degli impasti semi solidi di silice macinata, carbonato di sodio (natrun) e argilla che solo successivamente venivano cotti: il risultato era una maiolica, un manufatto caratterizzato da un nucleo di silice o sabbia, ricoperto da uno strato esterno di vetro. Questa lavorazione pare fosse conosciuta agli Egizi già nel 3150 a.C.
L’impasto morbido veniva modellato, fatto asciugare e poi lavorato per sottrazione con utensili affilati. Per colorare i manufatti si utilizzavano minerali come rame ecobalto, che donavano agli oggetti il caratteristico colore blu.

Maioliche egizie.

In Egitto vennero perfezionate le fornaci per la fusione del vetro, che permettevano di ottenere dei lingotti di vetro solido (simile a ossidiana) a partire dalla fusione e dal successivo raffreddamento di una miscela di polveri costituita da sabbia silicea, carbonato di sodio e argilla.

Uno stampo in ceramica rotto e i lingotti di vetro che ne venivano estratti.

Questi lingotti di vetro solido costituivano il semilavorato che veniva poi venduto ai laboratori artigiani, dove il semilavorato veniva portato alla temperatura di circa 900°C, temperatura alla quale il vetro raggiunge una sufficiente viscosità che ne permetteva la lavorazione.
Il commercio del materiale vetroso partiva dalle coste dell’Egitto per arrivare nelle terre fenicie e da lì l’arte della lavorazione del vetro si è diffusa a Cipro, in Grecia e nel bacino del Mediterraneo.

Rotte del commercio dei lingotti di vetro.

Intorno al I secolo a.C. venne introdotta la tecnica di soffiatura del vetro che permetteva di ottenere oggetti in vetro cavo. Un bolo di vetro veniva prelevato dalla fornace con un’asta cilindrica cava, all’altra estremità dell’asta il vetriaio soffiava e l’aria gonfiava la massa viscosa di vetro creando al suo interno una cavità.

Il vetro oggi

Oggi il vetro è ottenuto miscelando la sabbia silicea alla soda (Na₂O), a carbonati di calcio e magnesio e a ossidi di alluminio, per migliorare la fusibilità della miscela e aumentare la durabilità del manufatto.
La miscela di polveri viene portata a fusione a una temperatura di 1500°C e poi lasciata raffreddare: si forma così il vetro. Per ottenere il vetro colorato si possono aggiungere vari elementi che ne modificano il colore.

Vetro cavo, vetro piano e vetro in lastre

Le principali lavorazioni del vetro permettono di ottenere oggetti dalla forma cava (vetro cavo), come lampade, bicchieri, vasi etc, oppure oggetti di forma piana, come piatti, mentre una lavorazione particolare è quella del vetro in lastre (o floating glass) per ottenere grandi superfici piane di vetro per l’edilizia e il settore automobilistico.

Note

[1] La durezza è la capacità di resistenza a una deformazione plastica localizzata indotta da un’operazione di abrasione o graffio della superficie.
La durezza può essere misurata in maniera empirica con la scala di Mohs, introdotta nel 1812 dal mineralogista tedesco Friedrich Mohs. In questa scala il materiale più tenero (con la durezza minore) è il talco (durezza 0) e quello più duro il diamante (durezza 10). Per fare alcuni esempi, la durezza di un’unghia è di 2.2, della punta di un coltello di acciaio da 5.1 a 5.5, del vetro da finestre da 5.6 a 6.5, di una lima da ferro di circa 6.5, della porcellana da 6 a 7; alcuni tipi di ceramica, tra cui il grès porcellanato, possono raggiungere la durezza 8.