Lasi
Lasi on sulatettujen silikaattien jähmettyessä muodostunut amorfinen massa. Lasi on haurasta, kovaa ja yleensä läpinäkyvää. Sulatetun silikaatin jäähtyessä atomit eivät enää palaudu kiteiseen muotoon, vaan jähmettynyt massa jää lasiksi.
Tavallinen ikkunalasi läpäisee näkyvää valoa, mutta vain hieman ultraviolettisäteilyä. Lasi ei juurikaan johda sähköä, sen jälkeen kun se on jähmettynyt, mutta ennen sitä, kun se on vielä juoksevaa, se johtaa erittäin hyvin sähköä. Lasi ei myöskään johda erityisen hyvin lämpöä, minkä vuoksi se täytyy jäähdyttää hitaasti. Jos lasi jäähdytetään tai lämmitetään liian nopeasti, lämpötila sitoutuu epätasaisesti ja luo jännitystiloja. Vähäinenkin ulkopuolinen voima saattaa purkaa näitä jännityksiä, jolloin lasi pirstoutuu lähes räjähdysmäisesti. Tämän on saattanut moni huomata kaataessaan kuumaa tai kylmää nestettä juomalasiin, joka on ollut lämpötilaltaan vastakkainen.
Viistehiottuja lasisia "korukiviä" kutsutaan myös nimellä Similitimantti.
Lasin komponentteja ovat lasinmuodostajat, sulatteet eli flussit, stabilointiaineet sekä toissijaiset materiaalit kuten puhdistus- ja värjäysaineet.
Lasin perusraaka-aine ja pääasiallinen lasinmuodostaja on piidioksidi eli kvartsi, joka on piidioksidin (SiO) muodossa. Se muodostaa useimpien lasityyppien painosta 60–80 prosenttia. Sulaessaan kvartsi sitkistyy paksuksi nesteeksi. Kun tätä nestettä jäähdytetään valvotusti jähmettymispisteeseen, atomit eivät asetu kiteille ominaiseen säännölliseen järjestykseen, vaan ne jähmettyvät nesteiden tapaan epäsäännölliseen rakenteeseen. Ne eivät kuitenkaan voi liikkua kuten nesteen atomit.
Jos kvartsia sulatetaan yksin hiekan muodossa, syntyy helposti särkyvää ja haurasta materiaalia, josta ei voi muotoilla esineitä. Sen vuoksi kvartsin joukkoon sekoitetaan yhdisteitä, jotka synnyttävät kovempaa ja työstettävämpää lasia ja samalla laskevat sen sulamispistettä, mikä oli entisaikoina myös tärkeää.
Sulatteita eli flusseja lisätään materiaaliin sen kemiallisen kestävyyden lisäämiseksi ja jotta se sulaisi matalammassa lämpötilassa. Flussina käytetään soodaa sisältävää natronlasia tai potaskaa sisältävää kalilasia.
Stabilointiaineita kuten kalkkikiveä lisätään lasin kemiallisen kestävyyden lisäämiseksi.
Läpinäkymätön lasi eli opaali- tai maitolasi syntyy siten, että jo lasin raaka-aineseokseen lisätään kiteytyviä aineita, esimerkiksi kryoliittiä, fluorisälpää tai luutuhkaa. Lasin värjäämiseen käytetään metallioksideja ja eräitä muita aineita:
Jos halutaan valmistaa väritöntä lasia, hiekan tavallisesti sisältämät värjäävät metallioksidit täytyy poistaa.
Natronkalkkilasi eli soodalasi valmistetaan sekoittamalla piidioksidia, natriumkarbonaattia ja kalsiumkarbonaattia. Sen koostumus on piidioksidi, (SiO) n. 70–75 % (kvartsihiekasta), natriumoksidi (NaO) n. 10–15 % (soodasta) ja kalsiumoksidi, (CaO) n. 8–14 % (kalkkikivestä). Natronkalkkilasi on helposti sulavaa ja edullista, ja sitä on suurin osa markkinoilla olevasta kirkkaasta ja läpinäkyvästä lasista.
Lyijylasi eli kristalli valmistetaan sekoittamalla ja sulattamalla piin, kaliumin ja lyijyn oksideja. Kristalli on paksua lasia, jolla on korkea valon taitekerroin. Kristalli on myös pehmeää ja säilyttää plastisen muovailtavuutensa, joten sitä käytetään hiottujen ja kaiverrettujen lasiesineiden valmistamiseen.
Optinen lasi on kristallilasia, jonka tuottamiseksi lasimassaan lisätään lantaanioksidia ja toriumia. Optista lasia käytetään kameroiden linssien raaka-aineena, koska se dispergoi eli hajottaa kaikenväristä valoa.
Borosilikaattilasia valmistetaan piidioksidista, boorihaposta, fosforihaposta ja joskus myös alumiinioksidista. Borosilikaattilasin kemiallinen rakenne on huomattavan kestävä, sen lämpölaajeneminen on häviävän pientä, ja se kestää vahvojakin lämpöshokkeja. Sen vuoksi sitä käytetään esimerkiksi kuumuutta kestävien keittoastioiden valmistamisessa. Tunnettu kauppanimi on borosilikaattilasille on PYREX.
Kvartsilasi on seostamatonta lasia, jonka jälkikäsittely on haastavaa. Sen sulamislämpötila on noin 2 000 °C ja se on kimmoisaa. Se myös läpäisee ultraviolettivaloa.
Merkittävä osa lasiraaka-aineesta on kierrätyslasia.
Raaka-aineet sekoitetaan oikeassa suhteessa, jolloin saadaan "mänkiä". Tämä seos sulatetaan noin 1 500 °C:ssa lasiuunin sisällä olevassa upokkaassa tai vannassa. Sulatuksen jälkeen lasimassan lämpötila lasketaan työlämpöön, noin 1 000 °C. Lasimassan työstöä ja muokkausta seuraa lasin jäähdytys.
Ikkunalasia (tasolasi, lasilevyt) valmistettiin aikaisemmin muun muassa vetämällä. Nykyisin käytetyin tasolasin valmistusmenetelmä on "float"-menetelmä, joka oli käytössä muun muassa Pilkingtonin Lahden lasitehtaalla. Float-menetelmässä pitkän uunilinjan alkupäässä syötetään raaka-aineet sisään. Niiden sulettua lasi valutetaan sulan tinan päälle. Massaa vedetään jatkuvasti eteenpäin ja lasilevyn paksuus säädetään vetonopeudella. Lasista saadaan tällöin molemmilta pinnoiltaan erittäin tasaista ja sileää. Jäähdytyksen jälkeen, uunilinjan toisessa päässä, levy leikataan sopiviksi paloiksi.
Toinen valmistusmenetelmä on lasinpuhallus. Pullot ja hehkulamput valmistetaan nykyisin koneellisesti puhaltamalla. Automaattikoneet puhaltavat paineilmalla jopa 590 000 pulloa vuorokaudessa tai 900 hehkulamppua minuutissa.
Lasilautasia, tuhkakuppeja, ja huokeita juomalaseja tehdään valurautamuoteissa puristamalla.
Lasia valmistetaan Suomessa muun muassa Nuutajärven, Humppilan sekä Iittalan tehtaissa. Ainoa pakkauslasin valmistaja Suomessa oli Karhulan pakkauslasitehdas. Muita tunnettuja, nyttemmin jo lakkautettuja lasitehtaita ovat muun muassa Riihimäen, Kumelan lasitehdas Riihimäellä sekä Ryttylän ja Nybyn lasitehtaat. Näiden lisäksi Suomessa toimii lukuisia pienempiä lasitehtaita sekä yksittäisiä lasinpuhaltajia ja muita valmistajia.
Peililasi ja korkealaatuiset ikkunalasit saadaan hiomalla ja kiillottamalla levylasia. Lasi voidaan koristella esimerkiksi kaivertamalla, etsaamalla tai maalaamalla. Lasi kestää hyvin happoja, mutta poikkeuksen tekevät fluoriyhdisteet, joilla voidaan syövyttää kuvioita lasin pinnalle. Hiekkapuhaltamalla lasia läpi levyn, johon on leikattu kuvioita, saadaan kuviot näkymään lasissa himmentyneenä pintana.
Nykypäivänä suurin osa lasista valmistetaan koneilla. Kuitenkin pieni osa joistakin lasisista taide- ja koriste-esineistä valmistetaan puhaltamalla. Lasinpuhallus on vanhaa arvossa pidettyä käsityötä. Rautaisessa, noin puolentoista metrin pituisessa puhalluspillissä on erityinen suukappale. Pillin toiseen päähän otetaan kimpale lasisulatetta, joka puhalletaan ontoksi. Sulatetta lisäten ja koko ajan pilliä pyöritellen lasi muovataan halutuksi esineeksi, joko vapaasti tai muottia käyttäen.
Suomalainen lasitaide on noussut maailmanmaineeseen 1940-luvulta alkaen usean yrityksen voimin. Merkittävimpiä yhtiöitä ovat Riihimäen Lasi ja Nuutajärvi sekä Iittala, joka valmistaa mm. Tapio Wirkkalan ja Alvar Aallon suunnittelemia lasistoja. Muita tunnettuja suomalaisia muotoilijoita ovat esimerkiksi Kaj Franck, Timo Sarpaneva, Kerttu Nurminen ja Nanny Still. He ovat muotoilleet monipuolisesti lasiesineitä sekä juhla- että arkikäyttöön.
Lasi on amorfinen aine, joita joskus nimitetään "kiinteiksi nesteiksi" niiden järjestäytymättömyyden vuoksi ja koska lasissa ei tapahdu sen jäähtyessä selvää ensimmäisen asteen faasimuutosta. Lasilla ei myöskään ole selvää sulamispistettä, vaan kuumennettaessa se pehmenee vähitellen. Siinä tapahtuu kuitenkin toisen asteen faasimuunnos, ns. "lasisiirtymä". Lasi ei siten huoneenlämmössä muuta muotoaan pitkänkään ajan kuluessa, kuten suosittu kaupunkitarina vanhoista valuvista ikkunalaseista kertoo. Helpompi selitys näille on, että huonolaatuinen ikkunalasi on asennettu painavampi pää alaspäin. Näin tehtiin ikkunan vakauden ja ulkonäön vuoksi.
Lasin valumisnopeus riippuu lämpötilasta. Hyvin korkeissa lämpötiloissa voidaan havaita merkittävää taipumista. Lasin puhallus perustuu tähän. Sen sijaan huoneenlämmössä ikkunoiden valuminen ei ole havaittavissa hyvinkään pitkissä ajoissa. Joidenkin laskelmien mukaan merkittävään valumiseen kuluisi huoneenlämmössä aikaa monta kertaa koko universumin iän verran.
Jos kirkkojen ikkunalasi olisi valunut muutamassa sadassa vuodessa niin paljon, että ikkunoiden alaosat olisivat yläosia paksumpia, niin tuhansia vuosia vanhojen lasiesineiden tulisi jo olla valunut muodottomiksi möykyiksi. Näin ei kuitenkaan ole tapahtunut. Muinaisen Egyptin ja antiikin Rooman ajoilta on säilynyt useita lasiesineitä nykypäiviin saakka, eikä niissä ole havaittu lainkaan valumista. Lasi kestää syövyttävää rikkihappoa.
Vanhin tunnettu lasilaatu on alkali­kalkki­lasi, jota valmistetaan soodan, hiekan ja kalkin seoksesta. Egyptissä siitä valmistettiin lasitettuja kivi­helmiä jo noin vuonna 4000 eaa. Jo varhain havaittiin, että lasi voitiin saada värilliseksi lisäämällä siihen eri malmeja. Tällaista värillistä lasia käytettiin keramiikan lasitukseen sekä jalokivien jäljitelmiin.
Vanhimmat tunnetut lasiastiat ovat Egyptistä n. vuodelta 1500 eaa., ja niitä valmistettiin Egyptissä huomattavia määriä jo 1300-luvulla eaa. Niitä valmistettiin yleensä upottamalla metalli­tankoon kiinnitetty, kankaalla päällystetty hiekka­ydin sulaan lasiin, jossa sitä pyöritettiin astian muotoilemiseksi haluttuun muotoon. Hiekka­ydin poistettiin, kun lasi oli valmis. Lasin­puhallus keksittiin Egyptissä tai Syyriassa noin vuonna 50 eaa., ja se syrjäytti nopeasti vanhemmat lasia­stioiden valmistus­menetelmät.
Keskiajalla kuuluisin lasi­teollisuuden keskus oli Venetsia. Suomen ensimmäisen lasi­tehtaan perusti G. Jung Uuteen­kaupunkiin vuonna 1681.
Roomalaiset alkoivat käyttää lasia ikkunoissa 300-luvulla. Vuonna 674 Englantiin saatiin ensimmäinen lasi-ikkuna. Ikkunat valmistettiin pyörittämällä nopeasti tangon päässä olevaa lasimassaa, jolloin syntyi pullonpohjan kaltaisia lasinpaloja, jotka sitten liitettiin yhteen. Suomessa lasi-ikkunat alkoivat yleistyä 1700- ja 1800-luvuilla.
Lasinpuristuskoneet tulivat käyttöön 1810-luvulla, ja puoliautomaattisiksi ne saatiin noin vuonna 1900.