有趣的事实 - 石英玻璃

熔融石英--一种历史悠久、前景广阔的材料 熔融石英是工业和研究领域最杰出的材料之一。熔融石英具有一系列独特的光学、机械和热学特性,是生产许多高科技产品不可或缺的原料,这些产品丰富了我们的日常生活。此外,熔融石英不仅是一位默默无闻的日常英雄,也是我们未来的重要组成部分。在本页中,我们将向您介绍熔融石英的一些神奇应用:和我们一起踏上熔融石英世界之旅吧!

1.抗辐射研究:登月 60 多年

60 多年前,当尼尔-阿姆斯特朗、巴兹-奥尔德林和迈克尔-柯林斯于 1969 年首次登月时,他们在月球上放置了 3 个方便的实验品。其中一个是由 100 个三棱镜组成的激光反射器。时至今日,有了 Heraeus 公司生产的高科技熔融石英,人们仍能利用这一装置精确测量地球与月球之间的距离以及地球上的大陆漂移。

这种熔融石英使得在地球上产生的激光束能够在大约 2.5 秒内覆盖地球和月球之间的距离。它在太空中飞行约 384 000 千米,然后撞上一个小手提箱大小的物体!这大致相当于从大约 120 千米的距离击中一枚硬币。

经得起任何考验的材料熔融石英

尽管月球没有保护大气层,但这个月球反射器在 60 多年后仍在工作。高能宇宙紫外线辐射会破坏光学材料。但高纯度的熔融石英就不一样了。得益于熔融石英制成的三棱镜,几十年来,该反射镜一直能将激光束可靠地送回地球。

Heraeus 熔融石英的另一个特点是其独特的材料均匀性,这对于这种特殊的镜子来说是必不可少的。Heraeus 由此成为著名的  阿波罗11号  任务,并帮助书写了一段登月历史。

2.清晰如......熔融石英

熔融石英中的化学杂质非常少,均匀度却非常高,仍然可以隔着 100 米厚的熔融石英阅读报纸。这种出色的纯度对许多工业应用和工艺至关重要。

纯度主要取决于原材料、生产方法和后续加工。Heraeus 拥有各种净化工艺,可进一步提高原材料石英砂的质量:Heraeus 合成熔融石英的总金属杂质含量低于 0.0001%。对于天然熔融石英来说,这一数值约为 0.005%。因此, Heraeus 的熔融石英是光学行业高科技产品生产中不可或缺的材料。

3.精密科学

证明爱因斯坦的相对论:

Heraeus 公司生产的熔融石英通过探测引力波帮助证明了爱因斯坦的相对论,引力波会导致原子直径与地球和太阳之间的距离之比发生长度变化。

2016 年,国际科学家得以宣布轰动一时的引力波探测结果。他们利用美国和意大利的巨大平行探测器探测到了时空的微弱震颤,并测量到了两个黑洞碰撞产生的信号。

这些引力波探测器使用高灵敏度的光学干涉仪。光导元件由熔融石英制成,具有极高的透射值和光学均匀性。Heraeus 公司的专家们为提高仪器的灵敏度做出了重大贡献:吸收率最低的熔融石英使引力波探测器的灵敏度极高。这也是这些探测器能够探测到极为罕见的引力波证据的唯一原因。

4.独特的优势

熔融石英非常锋利,只需很小的压力就能切开西红柿。

就连武士刀也做不到这一点。

5.动物的力量

熔融石英是世界上最特殊、最珍贵的材料之一。由于熔融石英不含任何添加剂,只有少量化学杂质,因此被称为单组分玻璃:它基本上只由二氧化硅组成。

除了光学和热学特性外,这种材料还具有独特的机械特性,如巨大的抗拉强度和可靠性。例如,一根熔融石英纤维可承重 10 公斤。因此,6,500 根相邻的薄纤维可以举起一头重达 6.5 吨的非洲大象!

6.发展的先锋

我们的祖先用熔融石英制成的矛头打猎。毕竟,并非只有人类才能制造玻璃。在自然界中,火山爆发、雷击或陨石撞击等高温会产生玻璃。形成玻璃的岩石熔化,然后迅速凝固成天然岩石玻璃。然后用这种材料制作矛头。

在当今的生产中,熔融石英有天然和合成之分。虽然天然熔融石英今天仍然只是通过熔化沙子来生产,但合成形式是通过燃烧和沉积含有硅的化学物质来生产的。这使得纯度特别高。

7.未来的能源供应商

聚变能源可以解决我们的能源问题!将几乎无穷无尽的恒星能量带到地球上的美丽梦想,目前正在逐步形成。激光核聚变似乎特别有前途。Heraeus Conamic 为高能激光器提供熔融石英,可用于通过核聚变缩小未来的能源缺口。

核聚变的意义不亚于将类似太阳的能量产生过程带到地球上。因此,人类将拥有一种几乎取之不尽、用之不竭的能源,这种能源对环境的影响很小,不会产生温室气体或放射性废物。

在地球上的发电厂引发核聚变反应给科学家和专家带来了巨大的挑战。然而,激光聚变最近取得了突破性进展:在加利福尼亚州的 NIF上,世界上最强大的激光器能够通过激光聚变引发反应,释放出比激光能量更多的能量。如果现在能够将其商业化实施,人类将拥有一种几乎取之不尽、用之不竭的能源,这种能源不会产生温室气体(燃煤和燃气发电厂),也不会产生放射性废物(核电站)。

目前, Heraeus 为欧洲、美国和中国等世界各地的核聚变试验设施提供激光光学元件用熔融石英,包括核聚变实验装置。这是因为 192 束激光中的高精度光学器件对于激光聚变至关重要。Heraeus 的熔融石英纯度很高,因此具有出色的光学品质。此外,熔融石英在紫外光谱中具有所需的高透射率和低吸收率。

如果科学家们还能最大限度地提高效率,那么激光核聚变将具有非常大的潜力来缩小我们的能源差距,甚至取代其他能源。未来几十年的核聚变研究必将令人兴奋!

8.计算机芯片的必需品

熔融石英对现代计算机芯片的生产至关重要,因为它不会与其他物质发生反应。

自半导体芯片发明以来,微光刻技术一直是电子制造链中的关键工艺步骤。在这一过程中,通过将掩膜的微小结构成像到涂有光刻胶的晶圆上,利用光来构造硅或其他半导体材料。芯片上的晶体管或电容器等所有电子元件都是以这种晶圆为基础制造的。

合成熔融石英是这一工艺的理想材料:其特点是紫外线透射率非常高,吸收率低。因此,在此过程中不会出现图像错误。

9.优秀

Heraeus 的高纯度熔融石英为多个诺贝尔奖提供了科学支持。

超短激光脉冲正越来越多地应用于科学或材料标记等领域。2018 年,热拉尔-穆鲁(Gérard Mourou)和唐娜-斯特里克兰(Donna Strickland)因开发出一种产生高能超短光脉冲的方法而获得诺贝尔物理学奖。由光学熔融石英制成的组件通过激光系统将这些脉冲引向应用。

Heraeus 专家为引力波探测器提供了一种特殊的高纯度熔融石英,帮助证明了爱因斯坦的相对论。这种熔融石英的吸收得到改善,使引力波探测器非常灵敏。只有这样才能探测到引力波,并获得 2017 年诺贝尔物理学奖。

Heraeus 的高纯度熔融石英为多个诺贝尔奖提供了科学支持。

超短激光脉冲正越来越多地应用于科学或材料标记等领域。2018 年,热拉尔-穆鲁(Gérard Mourou)和唐娜-斯特里克兰(Donna Strickland)因开发出一种产生高能超短光脉冲的方法而获得诺贝尔物理学奖。由光学熔融石英制成的组件通过激光系统将这些脉冲引向应用。

Heraeus 专家为引力波探测器提供了一种特殊的高纯度熔融石英,帮助证明了爱因斯坦的相对论。这种熔融石英的吸收得到改善,使引力波探测器非常灵敏。只有这样才能探测到引力波,并获得 2017 年诺贝尔物理学奖。

如果没有熔融石英,2009 年 "光之王 "诺贝尔物理学奖也不可能产生。英裔美国研究员高锟权和他的美国同事威拉德-博伊尔和乔治-史密斯开发出了光敏芯片和光导纤维。没有他们的付出,就不会有数码相机革命和全球数据网络。

10.纯净

我们的熔融石英的杂质含量仅为十亿分之几:

这相当于游泳池中的一滴水。

11.Heraeus 参与了第一个光纤网络的开发

1966 年,诺贝尔物理学奖获得者高锟描述了如何利用光缆将光信号传输数公里。高锟的发现为今天的互联网奠定了基础。

对互联网传输能力的需求以及对光纤的需求都在不断增长。全世界每年铺设的光纤约为 3 亿公里。很多人不知道的是,这些光纤是由熔融石英制成的。

Heraeus 自 1899 年起就开始生产熔融石英,其技术创新帮助我们这些互联网用户每天更快地在屏幕上获取信息。Heraeus 从一开始就参与了德国的光纤网络建设。1978 年,德国联邦邮政在柏林安装了第一个光纤网络。光缆中的光纤由贺 Heraeus 公司生产的熔融石英制成。自 1993 年起,这家家族企业就开始生产高纯度合成石英玻璃管和石英玻璃柱,用于生产数百万公里的高性能玻璃纤维。

12.自动驾驶--以熔融石英为基础进行人工智能应用

人工智能(AI)让停车变得更容易,为我们提供购物建议或从亚马逊订购商品,事实证明,人工智能(AI)往往能为我们人类提供极大的帮助。它能在短短几秒钟内分析海量数据,而在此之前,它一直是基于软件进行分析的。但是,尽管算法非常智能,传统的计算机芯片却日益达到极限。

它们的计算能力不足,耗电量过大。因此,自动驾驶等应用几乎不可行。解决方案:硬件也必须智能化。

人工突触以人脑神经元为模型,具有类似的学习能力,前景广阔。因为只有这种学习能力才能让他们预选出真正重要的数据。Heraeus 和于利希亚琛研究联盟 (JARA) 的研究人员正是实现了这一发展。他们发现了如何随意切换人工突触,从而控制数据量。

通过有选择性地将外来原子引入高纯度超薄石英玻璃层,可以控制智能系统首先处理哪些数据。而且比以前更节能。测试还创下了 1.4 纳秒的新开关时间记录,而之前的记录是 10 纳秒。推动神经启发计算机发展的理想条件。

13.耐温性

您可以将温度为 1,000°C 的石英玻璃方块放入冰水中而不会损坏玻璃。啤酒瓶仅在 40 摄氏度的温差下就会破碎。

14.透射率

熔融石英是唯一可以晒黑的玻璃,因为它具有紫外线透过性。因此,紫外线透过率也可用于各种表面、空气或水处理的消毒过程。

特别是在  水处理紫外线灯的使用在为居民提供卫生安全的饮用水方面发挥了重要作用,为促进健康和预防流行病做出了决定性的贡献。紫外线可对饮用水进行消毒和处理,无需添加化学物质,并且不会影响口感、气味或 PH 值。

在此过程中,特殊的紫外线灯会破坏细菌、病毒或寄生虫等微生物,并帮助分解对健康有害的化学物质。

15.月球上的 Heraeus

首个太空艺术展的一部分是一个石英玻璃立方体:

第一批登上月球的艺术品之一是贺利氏公司生产的石英玻璃立方体!这个雕刻着树木年轮的立方体由德国艺术家Jamal Ageli设计,并与徕卡和耶拿恩斯特阿贝大学的激光专家合作制造。Heraeus 熔融石英具有很强的抗辐射能力和耐久性,因此被选为立方体材料。

月球画廊是一个国际合作的艺术作品--一个创意画廊,旨在将人类的精华带到月球上。

月球画廊的目标是在月球上建立第一个永久性博物馆。这样,地球上的每一个人都能通过可持续的探索过程享受到月球带来的好处。作为国际艺术项目的一部分,100 件文物将被送往月球。为此,艺术家、天体摄影师以及欧洲航天局 esa 等多家合作公司联手举办了首个月球永久艺术展。

16.利用纯光和熔融石英进行微创手术

手术治疗的目标一直是在术后尽快康复,尽可能减少不适。利用纯光或激光进行微创手术似乎特别有前景。因此,许多外科手术系统已经采用了特殊的光纤,专门引导激光照射到需要治疗的部位。这些纤维最初是熔融石英预型件,Heraeus 不断优化这些预型件,以适应新的应用。

熔融石英之所以能从众多产品中脱颖而出,是因为它几乎没有气泡,纯度极高。这使其从紫外线到红外线波长范围内的透光率高达 90%。这使它成为激光光束的理想选择,因为即使是最小的杂质也会造成干扰。此外,石英玻璃纤维还具有抗断裂和抗撕裂的特性,并且具有极强的柔韧性。最后一点尤其适用于人体难以触及部位的手术。例如,玻璃纤维的柔韧性是激光治疗肾结石、胆结石或膀胱结石的一个优势,因为玻璃纤维的弯曲半径极小,可以穿透这些器官非常狭窄的通道。