網狀形成者(network former)
在氧化物玻璃中存在分工,而網狀形成者就是負責搭建鷹架的角色。網狀形成者是一種氧化物,其陽離子小而帶高電荷,因此只抓住三或四個氧、圍成一個緊湊的小多面體,再把這些多面體角對角地連成一張連續而富彈性的三維網。那張網就是玻璃。經典的形成者有矽石 SiO2(矽在氧四面體中)、氧化硼 B2O3(硼在氧三角形中)以及五氧化二磷 P2O5。氧化鍺 GeO2 與氧化砷也屬此列。
讓一個陽離子夠格當形成者的條件,正是扎卡里亞森的配方。陽離子需要低的配位數(三或四),以及與氧之間夠強、夠具方向性的鍵,使多面體傾向只共用角。矽完美符合:Si-O 鍵約有一半是共價,SiO4 四面體剛硬,而四面體在富彈性的氧鉸鏈處鎖在一起。正是這條 Si-O 鍵的強度,使矽石既是個不情願結晶的材料、又是絕佳的玻璃形成者,也使矽基玻璃如此耐火、化學上如此耐久。
把整個家族叫齊也很值得。在真正的形成者之外,坐著中間者(intermediates),如 Al2O3 與 TiO2,它們無法獨自建網,卻能嵌入既有網路、扮演類似形成者的角色,補上斷掉的鍵。與形成者相對的則是網狀修飾者(network modifiers),如 Na2O 與 CaO,它們打斷網路而非建網。幾乎每一種實用玻璃都是一張矽石網路,有時由第二種形成者如 B2O3 補強,再由修飾者鬆開以便熔化。
氧化硼在 Pyrex 中作為第二種形成者發揮價值。把 B2O3 加進矽石網路,硼會以自己的一組氧三角形嵌入,收緊網路並降低熱膨脹。這就是為什麼硼矽實驗玻璃能承受沸水倒進冷燒杯的熱震,而網路被修飾者大幅打斷的普通鈉鈣玻璃則會裂開。
矽石與氧化硼都是網狀形成者;兩者共同建起硼矽玻璃低膨脹的骨架。
能否成為形成者,取決於陽離子的大小、電荷與鍵結,而非只看它是什麼元素。氧化鋁是個變色龍:它是中間者,當它能進入四面體位置時像形成者,否則就像修飾者。