BEHANDELING MET KALIUMIONEN LEIDT TOT BEHEERSTE GLASBREUK

Onderzoekers van de Pennsylvania State University hebben een methode ontwikkeld waarbij glas niet alleen sterker wordt, maar waarbij een naderende breuk ook wordt aangekondigd door kleine barstjes aan de oppervlakte (Science, 26 februari).

Het behandelen van glas teneinde de weerstand tegen breuk te vergroten is niet nieuw. Door warmtebehandeling of via een chemische behandeling van het glas neemt de spanning waarmee de atomen aan de oppervlakte tegen elkaar geduwd zitten toe. Een uitwendig aangelegde kracht, bijvoorbeeld buigen van het glas, moet eerst deze extra spanning overwinnen alvorens kwaad te kunnen. Een nadeel van deze aanpak is dat wanneer de drempel eenmaal overwonnen is, de breuk naar binnen toe minder spanning voelt en zich dus snel uitbreidt, met catastrofaal gevolg. Bovendien mag het glas als geheel sterker zijn, de variatie in sterkte van plaats tot plaats neemt eveneens toe, wat in industriële toepassingen lastig is.

Het Amerikaanse onderzoeksteam, onder leiding van David Green, gaf het glas via een tweetrapsbehandeling een beter spanningsprofiel. Glas bestaat vooral uit silicium en zuurstof, met hier en daar een natriumatoom. Door het glas in vloeibaar (heet) kaliumnitraat te dopen, nemen kaliumionen de plaats in van sommige natriumionen. Omdat kaliumionen een 25 procent grotere straal hebben, leidt dit uitwisselingsproces tot extra spanning in het glas. Tot zover weinig nieuws: de behandeling betreft de buitenkant.

Maar in een tweede stap dompelden de onderzoekers het aldus behandelde glas in een bad van gesmolten natrium en kaliumnitraat. Een deel van de natriumionen migreerde vanuit het glas terug in de vloeistof. Het resultaat was glas met aan de oppervlakte een dun laagje met natrium, en een dieper gelegen laagje met de kaliumionen uit de eerste fase van de behandeling. Wanneer de zaak wordt belast, ontstaan eerst kleine scheurtjes aan de buitenkant die zich niet onmiddelijk naar binnen uitbreiden omdat op 20 à 30 micrometer diepte de kaliumionen voor een drempel aan extra spanning zorgen. Ook is het behandelde glas vijfmaal zo sterk als gewoon glas. Met de nieuwe methode zouden scanners, displays en kopieermachines van dunner, sterker en lichter glas kunnen worden voorzien.