Применение оксидов кремния. 
Стёкла

Монооксид кремния — материал для изолирующих, защитных, пассивирующих, оптических слоев в полупроводниковых устройствах, волоконной оптике. Слои наносятся напылением в вакууме, реактивным распылением кремния в плазме кислорода.

Двуокись кремния в виде кварцевого песка находит самое широкое применение в строительном деле, ее добавляют в известковый раствор и примешивают к цементу. Самый чистый кварцевый песок применяют в стекольном и фарфоровом производствах. Из спеченного при высокой томпературе кварца (при этом перешедшего в кварцевое стекло) изготовляют химическую посуду, исключительно устойчивую к резким изменениям температуры (вследствие очень малого коэффициента расширения кварцевого стекла) и выдерживающую нагревание до очень высоких температур. Еще в большей степени это относится к совершенно прозрачной посуде, изготовленной из полностью расплавленного кварца. Однако при работе с такой посудой следует учитывать чувствительность кварцевого стекла к щелочам. [8].

Кристаллы кварца обладают пьезоэлектрическими свойствами и поэтому используются в радиотехнике, ультразвуковых установках, в зажигалках.

Развитие нанотехнологий ведет к появлению множества материалов, содержащих наноразмерные частицы. В настоящее время объем промышленного производства разнообразных наночастиц составляет уже сотни тысяч тонн. Большую часть производимого наноразмерного SiO₂ составляют нанопорошки аморфного диоксида кремния (НАДК). Они широко применяются в промышленности — в процессе изготовления теплоизоляторов, в производстве оптоэлектроники, как компонент для получения термостойких красок, лаков и клеев, а так же как стабилизаторы эмульсий. Также НАДК добавляют в покрытия для защиты от абразивных повреждений и царапин. Для того чтобы покрытие было прозрачным, используются нанопорошки со средним размером частиц менее 40 нм. Системная токсичность наночастиц диоксида кремния для животных и человека изучена слабо, однако широта спектра их применений ставит их на одно из первых мест в списке наночастиц, требующих детального изучения их биологических свойств. [9].

Оксид кремния (IV) так же нашёл применение в альтернативном получении энергии, а именно, в солнечных батареях. Солнечная батарея представляет собой одну или несколько плоских панелей, на которых размещены солнечные модули, состоящие в свою очередь из ячеек — фотоэлементов.

Схема солнечной батареи Учёные из Института выращивания кристаллов (ФРГ) во главе с доктором Торстеном Боеком совместно с компанией «BP Solar» приступили к трехлетнему проекту по выращиванию на стекле тонких пленок поликристаллического кремния с крупными зернами. Суть идеи такова.

Сейчас подложки для солнечных батарей делают, разрезая монокристаллы кремния на пластины толщиной 0,45 мм. А фотон проникает о солнечную батарею на глубину всего 0,02 мм. Получается, что огромное количество сверхчистого кремния затрачивается впустую: тонкая монокристаллическая пленка справилась бы с работой по преобразованию света в электричество ничуть не хуже толстой пластинки. Соответственно, и цена была бы гораздо ниже. Увы, тонкие пленки кремния не растут в виде монокристаллов. Наоборот, они состоят из мелких зерен, что существенно снижает эффективность батареи.

Для увеличения размера зерен кремния, выращиваемых на стеклянной (оксид того же кремния!) пластинке, немецкие ученые предложили двухстадийный процесс. Сначала они создают на поверхности стекла сетку из зародышей кремния с шагом 0,05 мм. Затем превращают эти зародыши в полноценные зерна. В результате получается непрерывная поликристаллическая пленка чистого кремния толщиной 0,05 мм. Она-то и должна послужить основой для дешёвых солнечных батарей. [10].

Коллоидный диоксид кремния AEROSIL® используется в фармацевтической промышленности в качестве вспомогательного вещества с ранней поры применения прямого прессования для производства таблеток. Как традиционное скользящее вещество, коллоидный диоксид кремния AEROSIL® обеспечивает оптимальную сыпучесть порошков, необходимую для современного высокоскоростного таблетирования.

Таблица 2. Коллоидный диоксид кремния для фармацевтической промышленности.

Наиболее распространенными на сегодняшний день лекарственными формами являются таблетки и капсулы. Эти виды твердых лекарственных форм производятся путем дозирования исходных порошков в установленные формы, такие как капсулы или таблеточные прессформы. Для достижения максимальной производительности высокоскоростного оборудования, при выполнении нормативных требований к однородности веса произведенной единицы и дозировки, необходимо обеспечить высокую сыпучесть исходного порошка. Небольшого количества коллоидного диоксида кремния достаточно, чтобы улучшить сыпучесть и набивку порошков и гранул, а значит и точность дозировки. Кроме того, он поглощают влагу, что позволяет сохранять порошки и гранулы сухими и сыпучими во время хранения. [11].

Аморфный непористый диоксид кремния применяется в пищевой промышленности в качестве вспомогательного вещества E551, препятствующего слёживанию и комкованию, в парафармацевтике (зубные пасты), в фармацевтической промышленности в качестве вспомогательного вещества, а также пищевой добавки или лекарственного препарата в качестве энтеросорбента.

Необходимо отметить, что одно из важнейших применений оксида кремния (IV) является производство стекла. Стекло является самым широко применяемым материалом в быту, строительстве, на транспорте благодаря своим уникальным качествам: прозрачности, твердости, химической устойчивости к активным химическим реагентам, относительной дешевизне производства. Без него невозможно изготовить оптические приборы, телевизоры, космические корабли и др. Несмотря на успехи в создании новых материалов широкого назначения, неорганические стекла после камня, бетона, металла прочно занимают одно из главных мест среди используемых в практике.

Обычно понятие «стекло» определяется не просто как материал, а как некоторое особое состояние твердого тела, стеклообразное состояние, противопоставляемое кристаллическому. Известно, что одно и то же вещество может быть газообразным, жидким и кристаллическим. Для каждого такого состояния характерна своя группа специфических признаков [12]. Под твёрдыми телами понимают тела как с кристаллической, так и с аморфной структурой. Поэтому стеклообразное состояние — одна из форм твёрдого состояния вещества. Стёклами называют аморфные твёрдые тела, получаемые обычно переохлаждением жидкостей или расплавов, независимо от состава, строения и температурной области затвердевания последних. В результате увеличения вязкости стёкла обладают механическими свойствами твёрдых тел и фиксированной аморфной структурой. Процесс перехода переохлаждённой низкоили высокомолекулярной жидкости в стеклообразное состояние есть структурное стеклование.

Стекло близко по структуре к переохлаждённой жидкости. Подтверждается это тем, что кривые рассеяния рентгеновых лучей стёклами и жидкостями сходны и тем, что жидкость вблизи температуры кристаллизации (и особенно ниже её в переохлаждённом состоянии) по ряду свойств и строению ближе к твёрдому, чем газообразному состоянию [13]. Но мы также не можем однозначно сказать, что структура стекла является структурой жидкого или твёрдого вещества. Изучая структуру кварцевого стекла, можно однозначно сказать, что она весьма сложна. Поэтому существуют следующие гипотезы, объясняющие его строение:

• 1) Кристаллитная, в соответствии с которой, стекло состоит из мелких и непрерывно связанных между собой кристаллитов.
• 2) Агрегативная. При понижении температуры расплава стекла происходят обратимые реакции структурирования, приводящие к образованию различных молекулярных агрегатов, ассоциаций и комплексов.
• 3) Гипотеза ближнего порядка учитывает, что в процессе охлаждения расплава изменяется равновесная структура стекла в ближнем порядке, характеризуемая при температуре стеклования более плотной и упорядоченной аморфной структурой.
• 4) Полимерная гипотеза исходит из предпосылки полимерного строения стекла.
• 5) Микрогетерогенная гипотеза основывается на процессах расслоения в расплавах двухи многокомпонентных стекол. В случае низколегированных кварцевых стекол возможно образование микронеоднородных включений в основной матрице диоксида кремния. 14]

Но стекло, это не только кварц, это ещё и изоморфное замещение катионов, входящих в каркас, которое управляется одинаковыми законами как для кристаллического, так и для стеклообразного состояний. Это вытекает из того факта, что в стеклообразном состоянии в основном сохраняются правильные геометрические формы тетраэдров [SiO₄], слагающих каркас. При замещении ионов Si⁴⁺ другими кристаллохимическими подобными ионами, как-то: Al³⁺, B³⁺, Ti⁴⁺, Ge⁴⁺, Be²⁺ и др. в структуре стекол, богатых щелочами или другими компонентами основного характера, может возникать единый «смешанный» скелет.

Схема строения многокомплексного алюмо-боросиликатрого стекла с единым скелетом, — к примеру состава 1,5 Na₂O•K₂O•3CaO•0,5B₂O₃•Al₂O₃•9SiO₂, т. е. Na₃K₂Ca₃BAl₂Si₉O₂₈, — может быть условно представлена на плоскости в таком виде:

Схема строения многокомплексного алюмо-боросиликатрого стекла с единым скелетом Это есть структурная химическая формула идеального стекла как неопределённого химического соединения. В схеме не показана лишь произвольность углов Si—О—Si. [15].

Кроме традиционного пути получения стекол — охлаждения расплава, стали широко применяться и другие способы получения стекол. Сюда относятся стеклообразные пленки, получаемые напылением из газовой фазы; «метамиктные стекла», образующиеся под воздействием ударных давлений и при бомбардировке кристаллов нейтронами; стекла, получаемые по золь-гель-технологии. В этой связи неудивительно, что разные исследователи дают различные определения стекла. При этом они руководствуются выборочными признаками стеклообразного состояния. За основу принимаются, например, структурные признаки, способ получения стекла, тип химической связи и т. д. Терминологическая дискуссия по этому вопросу ведется уже давно, и она далека от завершения, что, безусловно, свидетельствует о сложности объекта исследования. [16].