Kaca

Kepingan-kepingan kaca tebal yang telah dihasilkan

Kaca (Jawi: ‏كاچ‎code: ms is deprecated ‎ pinjaman Sanskrit: काच, rumi: kācácode: sa is deprecated ) merupakan bahan pejal sekata biasa terbentuk apabila bahan cair tidak berkristal disejukkan dengan cepat, dengan itu tidak memberikan cukup masa untuk jaringan kekisi kristal biasa terbentuk. Ia bersifat lutsinar, kuat, tahan hakis, lengai, dan secara biologinya merupakan bahan yang tidak aktif lalu boleh dibentuk menjadi permukaan yang tahan dan licin. Ciri-ciri ini menjadikan kaca sebagai bahan yang sangat berguna.

Komponen utama kaca ialah silika iaitu sejenis galian mengandungi silikon (IV) oksida. Silika wujud secara semulajadi dalam pasir, malah kaca kadang-kala terbentuk secara semulajadi daripada lava gunung berapi dalam bentuk obsidia.

Jenis kaca

Kaca biasa biasanya terdiri daripada silikon dioksida (SiO₂), yang merupakan sebatian kimia yang serupa dengan kuarza, atau dalam bentuk polihabluran, pasir. Silika tulen mempunyai tahap lebur sekitar 2000 Selsius, jadi dua bahan lain sering dicampurkan kepada pasir dalam pembuatan kaca. Satu daripadanya adalah soda (natrium karbonat Na₂CO₃), atau potasy, setara dengan sebatian kalium karbonat, yang menurunkan tahap lebur kepada sekitar 1000 Selsius. Bagaimanapun, bahan soda menjadikan kaca larut, jadi kapur (kalsium oksida, CaO) merupakan bahan ketiga, ditambah untuk menjadikan kaca tidak larut.

Silikon (IV) oksida ialah molekul kovalen raksasa. Oleh itu, silikon(IV) oksida memerlukan banyak tenaga haba untuk mengatasi setiap ikatan kovalen antara atom dalam struktur raksasa. Maka, silikon(IV) oksida mempunyai takat lebur yang sangat tinggi, iaitu 1710 C. Dalam silikon (IV) oksida, setiap atom silikon diikat secara kovalen kepada 4 atom oksigen dalam bentuk tetrahedron dengan sudut antara ikatan 109.5. Unit itu diulangi secara tidak terhingga dengan setiap atom oksigen terikat kepada 2 atom silikon untuk membentuk molekul kovalen raksasa seperti struktur berlian. Kaca merupakan bahan pejal sekata, biasanya terbentuk apabila bahan cair tidak berkristal disejukkan dengan cepat, dengan itu tidak memberikan cukup masa untuk jaringan kekisi kristal biasa terbentuk.

Salah satu ciri kaca adalah ia lutsinar. Sifat lutsinar disebabkan kaca terdiri daripada bahan yang tidak mempunyai keadaan perubahan garisan atomik dalam tenaga cahaya. Juga disebabkan kaca adalah sekata pada tahap gelombang yang lebih besar daripada cahaya, ketidaksekataan menyebabkan cahaya terbias, menghalang pemancaran imej.

Kaca tulen boleh dijadikan begitu lutsinar sehinggakan beratus kilometer kaca boleh ditembusi gelombang cahaya infra dalam kabel gentian optik.

Kaca biasa mempunyai campuran bahan lain untuk mengubah cirinya. Kaca bertimah hitam adalah lebih berkilauan, kerana peningkatan indeks pantulannya, sementara boron ditambah bagi mengubah ciri terma dan elektriknya, seperti Pyrex. Menambah barium juga meningkatkan indeks pantulannya, dan serium digunakan dalam kaca yang menyerap tenaga infra. Logam oksida juga ditambah bagi menukarkan warna kaca. Peningkatan soda atau potash menurunkan lagi tahap lebur, sementara mangan ditambah bagi menyingkirkan warna yang tidak dikehendaki. Kaca berwarna dihasilkan dengan bercampur dengan sedikit oksida logam peralihan. Misalnya, oksida mangan akan menghasilkan warna ungu, oksida kuprum dan kromium memberikan warna hijau, dan oksida kolbalt memberikan warna biru.

Soda atau natrium karbonat, Na2CO3 yang menurunkan tahap lebur kepada sekitar 1000 °C. Bagaimanapun, bahan soda menjadikan kaca larut, jadi kapur (kalsium oksida, CaO) biasanya ditambah untuk menjadikan kaca tidak larut.

Sejarah penghasilan kaca

Kaca semulajadi, seperti obsidia, telah digunakan semenjak zaman batu. Pembuatan kaca pertama direkodkan di Mesir sekitar 2000 Sebelum Masihi di mana kaca digunakan sebagai penyalut bagi barangan tembikar dan lain-lain. Pada abad pertama Sebelum Masihi teknik meniup kaca telah berkembang dan kaca menjadi lebih biasa digunakan. Ketika zaman Empayar Rom banyak bentuk kaca dicipta kebanyakannya dalam pembuatan botol dan pasu.

Sehingga abad ke-12 kaca warna (di mana kaca dengan oksida logam dicampurkan sebagai pewarna) tidak digunakan secara meluas.

Pusat pembuatan kaca pada abad ke-14 adalah Venice yang memajukan banyak teknik baru dan menjadi sumber eksport penting dalam pinggan mangkuk, cermin, dan bahan mewah lain. Lama-kelamaan sebahagian pembuat barangan kaca berpindah ke utara Eropah dan teknik pembuatan kaca turut berkembang bersama mereka.

Digunakan sehingga pertengahan 1800-an adalah proses kaca Mahkota ("Crown glass process"), di mana peniup kaca akan memutarkan anggaran 9 paun kaca pada hujung rod sehingga kaca leper dan membentuk cakera selebar 5 kaki diameter. Cakera kaca tersebut akan dipotong menjadi kepingan. Kaca buatan Venice amat dihargai antara abad ke-10 sehingga abad ke-14 kerana mereka merahsiakan proses pembuatan kaca. Sekitar 1688, proses menggunakan acuan dikembangkan, yang menyebabkan barangan kaca lebih mudah dibuat. Rekaan mesin pembentuk barangan kaca pada 1827 menjadikan barangan kaca dibuat secara pukal dan murah.

Barangan kaca halus

Walaupun dengan tersedianya barangan kaca biasa, masih terdapat tempat bagi barangan kaca yang ditiup. Sesetengah artis termasuk Sidney Waugh, René Lalique, Dale Chihuly, dan Louis Comfort Tiffany, yang bertanggungjawab untuk objek luar biasa. Istilah gelas kristal, diambil daripada batu kristal, telah dikaitkan dengan kaca jernih berkualiti tinggi, sering kali mengandungi timah hitam, dan kadang kala digunakan bagi merujuk sebarang kaca ditiup.

Senibina kaca

Banyak bangunan tinggi pada masa sekarang diperbuat daripada kaca. Kaca yang digunakan biasanya daripada jenis tidak berkilat, untuk mengelakkan silauan keterlaluan kepada orang yang berada di luar bangunan. Selain itu, kaca yang menyerap gelombang infra digunakan bagi mengelakkan haba daripada tembus ke dalam bangunan. Ini boleh menyebabkan kos hawa dingin yang tinggi. Selain itu penggunaan tingkap kaca dwilapis bagi menebat haba luar daripada masuk ke dalam, dan hawa sejuk dalam bangunan daripada keluar bagi bangunan di kawasan beriklim panas atau sebaliknya di kawasan beriklim sejuk.

Kaca apung

90% daripada kaca nipis diperbuat dengan menggunakan proses kaca terapung yang dicipta oleh Sir Alastair Pilkington dari Pilkington Glass, di mana kaca cair dituang ke atas timah cair. Kaca tersebut terapung dipermukaan timah, tersebar ke semua arah. Kaca tersebut perlahan-lahan mengeras ketika ia mengembang di atas timah cair, sebelum ditarik keluar daripada rendaman timah dalam bentuk ribon dan kemudiannya disepuh dengan menggunakan api, menghasilkan permukaan rata yang hampir sempurna.

Kaca waja

Kaca waja diperbuat daripada kaca biasa yang ditempa melalui proses pewajaan haba "thermal tempering". Kaca dipotong kepada saiz diperlukan dan sebarang proses diperlukan seperti melicinkan tepi atau menebuk lubang pada kaca) dilakukan sebelum proses pewajaan dilakukan. Kaca tersebut kemudiannya diletakkan di atas meja golek, dan disalurkan melalui tempat pembakar yang mempunyai suhu titik pewajaan kaca yang mencecah sehingga 600 Selsius. Kaca tersebut kemudiannya disejukkan secara mengejut dengan tiupan udara. Penyejukan mengejut ini mendorong tekanan pemampatan pada permukaan kaca diimbangi oleh tekanan dalam kaca. Seolah-olah satu salutan tegang kaca terbentuk pada permukaan kaca. Pola penyejukkan ini boleh dilihat dengan memerhati kaca di bawah cahaya berkutub. Kaca waja dianggarkan enam kali lebih kuat berbanding kaca biasa.

Bagaimanapun, kekuatan ini datang dengan kekurangannya. Disebabkan keseimbangan tekanan pada kaca, sebarang kecacatan pada bahagian tepi kaca akan menyebabkan kaca berkecai kepada saiz ibu jari. Ini adalah sebab utama kaca perlu dipotong kepada saiz yang dikehendaki sebelum ditempa dan tidak boleh diubah lagi setelah ditempa. Selain daripada itu, permukaan kaca tempa tidak sekuat kaca biasa dan mudah bercalar berbanding kaca biasa.

Kaca tempa biasanya digunakan dalam pemasangan tanpa bingkai seperti pintu kaca dan dalam penggunaan menyokong struktur "structurally loaded".

Kaca waja dianggap kaca keselamatan disebabkan peningkatan kekuatannya dan kecenderongannya untuk berkecai pada saiz yang kecil yang tidak tajam, oleh itu kurang berbahaya sekiranya pecah.

Kaca lapis

Kaca lapis dibuat dengan melekatkan dua atau lebih lapisan kaca biasa dengan lapisan plastik antaranya, biasanya polyvinyl butyral (PVB). PVB diisi diantara lapisan kaca sebelum dipanaskan sehingga 70 Selsius dan dilalukan di atas penggolek bagi menyingkirkan sebarang gelembung udara dan membentuk lekatan pertama.

Lapisan PVB pada kaca juga meningkatkan kemampuan menebat bunyi, disebabkan kesan serapan, dan juga menghalang 99% daripada cahaya lampau ungu (UV).

Kaca lapis biasanya digunakan apabila terdapat kemungkinan hentaman manusia atau apabila kaca boleh jatuh jika pecah. Cermin tingkap kedai biasanya menggunakan kaca lapis.

Kaca lapis dianggap kaca keselamatan disebabkan keupayaannya untuk melekat dan tidak berkecai walaupun telah pecah.

Adakah kaca mengalir?

Terdapat pendapat mengatakan kaca mengalir. Ini berasaskan bahawa tingkap cermin pada zaman pertengahan, tebal di bahagian bawah. Bagaimanapun ini dianggap tidak benar disebabkan yang berikut.

• Barangan kaca Rom dan Mesir purba tidak menunjukkan sebarang tanda berlakunya pengaliran walaupun ia jauh lebih lama.
• Jika kaca mengalir pada kadar yang jelas setelah beberapa abad, perubahan pada cermin teleskop optik akan dapat dikesan melalui peralatan interferometry dalam masa beberapa hari sahaja. Tetapi ini tidak berlaku.

Rujukan

• "Do Cathedral Glasses Flow?", Am. J. Phys. v66, pp 392-396, May, 1998
• Noel C. Stokes; The Glass and Glazing Handbook; Standards Australia; SAA HB125-1998

Pautan luar

• Is glass liquid or solid? by John Baez
• Antique windowpanes and the flow of supercooled liquids Diarkibkan 2005-08-26 di Wayback Machine
• article on the non-flowness of glass Diarkibkan 2012-02-14 di Wayback Machine
• Page devoted to the AFU glass flow controversy, with links to citations
• Page stating that glass does not flow
• Penyediaan kaca aerosilika daripada sekam padi Diarkibkan 2010-04-08 di Wayback Machine