Staklena menažerija

Poznato je da su stakla na prozorima srednjevekovnih crkvi deblja pri dnu prozora nego pri vrhu. Ovo se objašnjava time da je staklo, zapravo, tečnost velike viskoznosti i da, kao neki beskrajno spori vodopad, brzinom od dela milimetra za vek, pada ka dnu prozora i tu se nagomilava.. Ovo objašnjenje, koje se često može naći u nekim knjigama o staklu, nije tačno.
Prvo, staklo nije tečnost. Radi se o tome da je tehnologija pravljenja staklenih ploča u Srednjem veku bila nedovoljno razvijena, i veoma je bilo teško napraviti staklenu ploču jednake debljine. Prilikom montiranja u prozor onda se teža strana nejednakog okna obično stavljala na dole, te je zato u većini srednjevekovnih prozora staklo deblje na donjoj strani.
Hladjenjem rastopljenog, tečnog stakla (najprostije staklo se pravi od silicijum dioksida), ono se stvrdnjava i u jednom trenutku postane čvrsto. Tehnički, ovaj fazni prelaz (prelazak iz tečne u čvrstu fazu), zove se glass transition, i tačna molekularna priroda ovog prelaza godinama je bila svojevrsna misterija. Tek je nedavno napravljen značajan korak u rasvetljavanju ove misterije, i o tome je ovaj blog. O staklenim prelazima i jednoj godišnjici.
Ako neku tečnost - vodu, na primer - počnemo da hladimo, onda će ona na temperaturi mržnjenja, nula stepeni Celzijusa u ovom slučaju, da se zaledi, pređe u čvrsto stanje, i postane komad leda. Taj led je, na mikroskopskom nivou, pravilna rešetka sastavljena od molekula vode, ravnomerno poređanih u prostoru, i takve čvrste strukture se zovu kristali. Sve vreme tokom hlađenja, dok sva voda nije prešla u led, temperatura je ostajala ista, nula stepeni.
U najgrubljem smislu, nesto slično se dešava i sa staklastim materijalima prilikom hladjenja, ali postoje dve bitne razlike.
Prvo, čvrsto staklo se ne formira na fiksnoj temperaturi očvšćavanja (kao što je to kod leda nula stepeni Celzijusa), već tačka prelaza zavisi od brzine hladjenja tečnog stakla. Ako bi hladjenje bilo veoma sporo, tačka očvršćavanja bi bila niža. Ovde je reč o jednom te istom materijalu koji se hladi različitim brzinama. Sa vodom je to drugačije - bez obzira kojom brzinom hladili vodu, ona uvek počne da se ledi na tačno nula stepeni Celzijusa.
Drugo, formirano čvrsto staklo nije kristal, već amorfni kristal. Ovo znači da molekuli silicijum dioksida, na primer, od kojih se staklo sastoji, ne formiraju geometrijski pravilnu rešetku, iako su čvrsto vezani jedan za drugog. Pošto geometrijsko pakovanje ovih molekula nema pravilan oblik, onda se za takav kristal kaže da je amorfni. Ova razlika je ilustrovana na slikama dole.

Na ovoj slici su molekuli silicijum dioksida geometrijski ‘'spakovani'' u pravilnu kristalnu strukturu. Prilikom formiranja čvrstog stakla, međutim, ti isti molekuli se poređaju ovako 

Kao što se vidi, ovde nema pravilnosti u pakovanju, i za takav kristal se kaže da je amorfan.
Zbog ove molekularne nepravilnosti, prilikom savijanja, staklo nije efikasno u ravnomernom rasporedjivanju spoljašnjeg pritiska, i veze između molekula se se lakše kidaju. Drugim rečima, staklo je lako lomljivo, kao što je svima poznato.
Prvi stakleni objekti su pronađeni u nalazištima ljudi koja datiraju iz sredine trećeg milenijuma p.n.e., u Egiptu. Najpre su to bili nepravilni komadi stakla, ali se kroz istoriju tehnologija usavršavala, pa su pravljeni stakleni ukrasi, posude, nakit, itd. U stakla su dodavani metali, oksidi i slično, da bi se postigle željene osobine boje, providnosti, čvrstine ili otpornosti na povišenu temperaturu. Zbog svoje transparentnosti i načina prelamanja svetlosti u različitim bojama, i drugih optičkih i fizičkih osobina, mnoge ljude staklo ispiriše kao ukras, kao građevinski ili industrijski materijal, ili kao umetnički medijum.
U drami Tenesi Vilijamsa ‘'Staklena menažerija'', čiji sam naziv pozajmio za naslov ovog teksta, glavna junakinja, Laura, ima kolekciju malih staklenih predmeta. Laura je psihički nestabilna i osetljiva osoba, povučena u sebe zbog svog fizičkog nedostatka (malo hramlje), i uglavnom je posvećena svojoj kolekciji, bez čvrstog odnosa prema realnosti. Ta zbirka staklenih predmeta, zbog svoje lomljivosti i nepravilnog načina rasipanja svetlosti, savršeno simbolizuje Laurino stanje duha. Njena majka je opsednuta da joj nađe muškarca za udaju, a njen brat, Tom, pokušava da bude pisac, ali oseća teret porodice, te uglavnom provodi vreme radeći da izdržava porodicu i dosađujući se. Nekom prilikom, Tom dovodi svog druga, Džima, u posetu da ga upozna sa Laurom, i ovakav se razgovor između njih vodi:
 

LAURA: Mali predmeti od stakla, to su uglavnom ornamenti! Najviše ima malih staklenih životinja, najmanjih životinjica na svetu. Majka ih zove staklena menažerija! Evo je jedna ako želiš da vidiš! ...Oh, budi pažljiv - ako dišeš, razbiće se! ...Vidiš kako svetlo iz nje sija?
DŽIM: Zaista sjaji!
LAURA: Ne bih smela da budem pristrasna, ali ovaj mi je omiljen.
DŽIM: A šta bi to trebalo da bude?
LAURA: Zar nisi primetio taj jedan rog koji ima na čelu?
DŽIM: Jednorog, ha? - zar nisu oni izumrli u modernom svetu?
LAURA: Znam!
DŽIM: Siromah, mora da se oseća pomalo usamljeno.

Ovaj susret se neuspešno završi, i Laura ponovo ostaje sama. Opterećen brigama i željom da postane pisac, Tom odlazi od kuće i ostavlja porodicu da ih više nikad ne vidi.

Nedaleko od moje kuće nalazi se zgrada u kojoj je stanovao Tenesi Vilijams, i u kojoj se odigrava ova drama koja mu je donela svetsku slavu. Na mnogo je načina taj tekst autobiografskog karaktera - Vilijams, kao i Tom u drami, odlazi od kuće u kojoj ostavlja nestabilnu sestru, da se nikad više ne vrati, tragajući za svojom srećom. Zato je u podnaslov stavio memory play, igra sećanja. Tuda često prolazim kada se vraćam iz grada kući, i pre nekog vremena, baš kad sam čitao o faznim prelazima stakla, namerno provezem tim putem. Zbog misterije stakla.
U čemu se sastoji ta misterija? Najprostije rečeno, nije sasvim jasno zašto se molekuli silicijum dioksida (ili nekog drugog materijala, a njih ima veoma mnogo, i organskih i neorganskig) prilikom formiranja stakla poređaju nepravilno. Ako bi se taj mehanizam razumeo, onda bi to imalo velike praktične primene u tehnologiji, biologiji, medicini, itd. Recimo, amorfni kristali se lakše rastvaraju, jer nisu tako čvrsto vezani, pa bi lekovi pravljeni u ovom obliku bili neuporedivo lakši za korišćenje. Takodje, otkriće bi bilo značajno u industriji gume, koja je polimerski amorfni materijal. U svakom slučaju, uprkos višegodišnjim istraživanjima, odgovor na ovo pitanje nije bio pronađen.
Tek je nedavno napravljen značajan iskorak u dobrom pravcu. Naime, ustanovljeno je da se prilikom hlađenja staklastih tečnosti neki delovi tečnosti brže usporavaju a neki sporije. Drugim rečima, dok se u nekim delovima tečnosti kinetička energija molekula dovoljno smanjila da sile hemijskog vezivanja uspevaju da ih nadvladaju u kretanju, na drugim mestima se to još nije desilo. Prelazak u čvrsto staklo nije homogen kroz celu tečnost - neki delovi tečnosti očvrsnu dok su drugi još pokretni. Na taj način se ova nehomogenost i neregularnost kasnije vidi i u formiranom amorfnom kristalu. Ovaj rezultat je objavljen pod naslovom Nonlinear physics: glass transition in plane view . (Taj link je na stranu koja se ne otvara besplatno, ali evo jednog popularnog teksta. Resenje misterije.) Razume se, nova istraživanja u ovom pravcu tek predstoje, ali je ključni deo misterije stakla, čini se, rešen.
Sećajući se svog odlaska od kuće i razmišljajući o svom životu, Laurin brat,Tom, na kraju ‘'Staklene menažerije'', kaže

Spustio sam se niz požarne stepenice poslednji put i od tada išao stopama mog oca, pokušavajući da pronađem u pokretu ono što je izgubljeno u prostoru... zaustavio bih se, ali nešto me je pratilo... prolazio sam pored osvetljenog izloga jedne radnje u kojoj se prodaju parfemi. Izlog je bio pun obojenih staklenaca, malih providnih flašica nežnih boja, kao delića razbijene duge. I onda, odjednom mi sestra dodirne rame. Okrenem se i pogledam je u oči. Oh, Laura, Laura, pokušao sam da te ostavim iza sebe, ali sada sam ti verniji nego što sam ikada nameravao da budem!

Tako se misterija staklene menažerije razrešava.

Ovu svoju dramu Vilijams je napisao 1945. godine, kada mu je bilo 34 godine. Za par nedelja (24. februara 1983) biće 26 godina od njegove smrti. Zadavio se zatvaračem za staklenu flašicu iz koje je sipao kapi za oči ležeći u krevetu.