Il vetro è un solido amorfo ottenuto dalla fusione della silice con un ossido di base. Anche se i suoi atomi non si dispongono mai in un ordine cristallino, la spaziatura atomica nel vetro è stretta. Il vetro è caratterizzato da trasparenza, durezza a temperature atmosferiche, ed eccellente resistenza agli agenti atmosferici e alla maggior parte dei prodotti chimici tranne l’acido fluoridrico.
La maggior parte del vetro si basa sul sistema dei silicati ed è fatto da tre costituenti principali: silice (SiO), calce (CaCO3) e carbonato di sodio (NaCO3). Vari ossidi sono aggiunti per adattare le proprietà del vetro per soddisfare requisiti specifici.
I vetri non basati sul sistema dei silicati, che rappresentano solo il 5% circa di tutto il vetro prodotto (escludendo la vetroceramica, descritta nel capitolo, Ceramica ingegneristica), includono vetri fosfatici (che resistono all’acido HF), vetri di borato di terre rare (per un alto indice di rifrazione), vetri che assorbono il calore (fatti con FeO), e sistemi basati su ossidi di alluminio, vanadio, germanio, e altri metalli. Quasi tutti i vetri possono essere classificati in uno dei sei tipi di base, in base alla composizione chimica. All’interno di ogni tipo, ad eccezione della silice fusa, ci sono diverse composizioni distinte.
Il vetro soda-calcico, il tipo più comune, è il vetro di bottiglie, finestre, lampadine e bicchieri. La sua composizione è simile a quella del primo vetro prodotto dall’uomo – una miscela di ossidi di silicio, calcio e sodio. Circa il 90% di tutto il vetro fuso oggi è soda-calce (o semplicemente “calce” come viene comunemente chiamato). Questo vetro poco costoso è facilmente fabbricato in una grande varietà di forme. La resistenza alle alte temperature e agli sbalzi di temperatura è scarsa, e la resistenza agli attacchi chimici è solo discreta.
Il vetro borosilicato, il più antico tipo di vetro ad avere una resistenza apprezzabile allo shock termico e alle alte temperature, ha anche un’eccellente resistenza agli attacchi chimici. In questa struttura di vetro, la prima a portare il marchio Pyrex, una parte del SiO″ è sostituita dall’ossido borico.
Il vetro borosilicato ha un basso coefficiente di espansione termica ed è, quindi, adatto per gli specchi dei telescopi e altre parti di precisione. Inoltre, poiché questo vetro può resistere allo shock termico, viene utilizzato per gli articoli da forno e da laboratorio, per le lenti dei fari e per i vetri dei boiler. La maggior parte dei vetri borosilicati hanno una migliore resistenza agli acidi rispetto ai vetri soda-calcici, ma una scarsa resistenza agli alcali. Le fibre di vetro usate nei composti plastici di rinforzo sono un vetro borosilicato modificato.
Il vetro piombo-alcalino, o vetro al piombo, contiene monossido di piombo, PbO, per aumentare il suo indice di rifrazione. Questo vetro è un migliore isolante elettrico dei vetri di calce sodata o borosilicato. Il vetro al piombo è usato per applicazioni ottiche come prismi e lenti e come scudo contro le radiazioni atomiche. È facile da lavorare ed è adatto per operazioni lente e manuali. A causa della sua lucentezza naturale, il vetro al piombo è usato per le stoviglie di cristallo fine. Come il vetro di calce, il vetro al piombo ha una scarsa resistenza alle alte temperature e allo shock termico.
Il vetro alluminosilicato (in cui un po’ di allumina, Al2O3, sostituisce la silice) è un altro vetro resistente allo shock termico simile al borosilicato, ma in grado di sopportare temperature operative più elevate. Questi vetri resistono anche agli attacchi chimici e sono buoni isolanti elettrici. I vetri alluminosilicati sono adatti per applicazioni ad alte prestazioni come termometri ad alta temperatura, finestre per veicoli spaziali e tubi di accensione. Rivestiti con una pellicola elettricamente conduttiva, sono usati come resistenze in circuiti elettronici critici. Gli alluminosilicati costano circa tre volte di più dei borosilicati e sono sensibilmente più difficili da fabbricare.
Il vetro di silice al 96% è un vetro altamente resistente al calore fatto dal vetro borosilicato con un processo proprietario (Corning Glass Works). Questo vetro può essere formato più facilmente e in più forme che la silice fusa. Le sue proprietà sono così vicine a quelle della silice fusa che a volte viene usato come sostituto nei componenti ottici e nelle finestre dei veicoli spaziali, dove deve resistere al calore del rientro nell’atmosfera terrestre. È anche usato come rivestimento resistente al calore, come all’esterno dei veicoli dello Space Shuttle della NASA. Altri usi includono articoli da laboratorio e componenti di illuminazione come i tubi ad arco nelle lampade alogene.
La silice fusa è l’unica delle sei categorie che contiene una composizione unica. Questo vetro consiste semplicemente di silice (biossido di silicio) allo stato non cristallino, o amorfo. La silice fusa, la più costosa di tutti i vetri, offre la massima resistenza allo shock termico, nonché la più alta temperatura di funzionamento ammissibile (da 900°C per periodi prolungati, a 1.200°C per brevi periodi). Ha anche la massima trasmissione nella gamma ultravioletta e la più alta resistenza all’attacco chimico di qualsiasi vetro. La silice fusa è usata in applicazioni dove i requisiti sono estremamente severi, come gli specchi grezzi per telescopi astronomici, linee di ritardo a ultrasuoni, guide d’onda per comunicazioni ottiche e crogioli per la crescita dei cristalli. La fabbricazione della silice fusa è difficile, e il numero di forme disponibili è, quindi, fortemente limitato.
Questi sei tipi di vetro possono essere raggruppati in tre coppie. La soda-calce e il piombo-alcalino sono chiamati vetri morbidi perché si ammorbidiscono o si fondono a temperature relativamente basse. Il borosilicato e l’alluminosilicato sono chiamati vetri duri perché si ammorbidiscono o si fondono a temperature relativamente più alte. E la silice al 96% e la silice fusa sono i più duri di tutti.
Il più antico dei vetri è la calce sodata, che era conosciuta circa 4.000 anni fa. Il piombo-alcalino è stato sviluppato nel 1676, il borosilicato nel 1912, l’alluminosilicato nel 1936, la silice al 96% nel 1939 e la silice fusa nel 1952.
Oggi, molti prodotti di vetro sono fatti da compositi, costituiti da diversi vetri di diversa composizione. Le stoviglie ad alta resistenza sono fatte di un sandwich di un vetro a bassa espansione e di un nucleo di vetro ad alta espansione. Le fibre di comunicazione ottiche (guide d’onda) sono ricavate da un boule costruito da vetri con una variazione controllata della composizione. Le finestre dei veicoli aerospaziali sono composte da più lastre di vetro, ciascuna con una proprietà unica; le lastre più esterne sono resistenti al calore, quelle più interne sono meccanicamente forti.
I vetri sensibili alla luce, sebbene non siano considerati un tipo di base, sono disponibili in tre gradi. I vetri fotocromatici si scuriscono quando sono esposti alle radiazioni ultraviolette e svaniscono quando lo stimolo ultravioletto viene rimosso o quando il vetro viene riscaldato. Alcune composizioni fotocromatiche rimangono scurite per una settimana o più. Altre svaniscono in pochi minuti dopo la rimozione degli ultravioletti. Un uso principale per le composizioni a dissolvenza più rapida è nelle lenti per occhiali che si scuriscono e svaniscono automaticamente quando vengono esposte o rimosse dalla luce solare.
Anche il vetro fotosensibile risponde alla luce, ma in modo diverso dal vetro fotocromatico. Se esposto all’energia ultravioletta e poi riscaldato, il vetro fotosensibile cambia da chiaro a opale. Quando l’esposizione agli UV è fatta attraverso una maschera, il modello della maschera è riprodotto nel vetro. L’immagine sviluppata è permanente e non sbiadisce, come farebbe un’immagine simile in un vetro fotocromatico. Il vetro fotosensibile esposto e opalizzato è molto più solubile nell’acido idrofluidico del vetro non esposto. L’immersione in questo acido produce forme, depressioni o buchi mediante l’incisione di quelle aree esposte e sviluppate.
I vetri fotocromatici sono vetri fotosensibili a colori. Sviluppati nel 1978 dai laboratori Corning Glass Works, le loro caratteristiche implicano applicazioni come l’immagazzinamento di informazioni, oggetti decorativi, finestre, o altre trasparenze, e contenitori. I vetri fotocromatici hanno una vera permanenza del colore.