玻璃與玻璃態

熔融矽石(fused silica)

熔融矽石是被剝到最純粹本質的玻璃:幾乎 100% 的二氧化矽 SiO2,別無其他。它是沒有修飾者、沒有助熔劑、沒有添加物的網狀形成者,因此它的結構是單一、完全相連的隨機網路,每個氧都橋接兩個矽,任何地方都沒有斷鍵。這種全面的連通性,是它一切非凡之處與一切不便之處的來源。它是衡量所有其他氧化物玻璃的基準。

由於網路毫無斷裂,熔融矽石具有你在這個家族最遠端所預期的極端性質。它的熱膨脹係數低得驚人,約 0.5 x 10^-6 每攝氏度,比鈉鈣玻璃低十倍以上,因此它幾乎察覺不到溫度變化,也不畏猛烈的熱震:你可以把它燒到白熾再投入水中而不裂。它的軟化與加工溫度相應地極高,遠在攝氏 1600 度之上,因為沒有被修飾者剪斷的鍵可供軟化。它還格外透明,一直透到深紫外,化學耐久性也幾乎是氧化物玻璃所能達到的極致。

這份完美的代價,是熔融矽石難做、難成形又昂貴,正因為它到那麼高的溫度都仍如此剛硬。因此它被保留給沒有更便宜替代品的工作:承載網際網路的光纖芯與包層、生長矽單晶的坩堝、紫外燈管與透鏡,以及超穩定的鏡坯。關於名稱有個小註記:fused silica(熔融矽石)通常指由純合成或化學來源熔煉的玻璃,而 fused quartz(熔融石英)指由研磨過的天然石英熔煉的玻璃,後者帶有稍多的雜質;兩者本質上都是同一種非晶的 SiO2。

貫穿全球的每一根光纖本質上都是熔融矽石,被拉成髮絲般細的絲線,純淨且低損耗到光可以行進數十公里才需要增益。任何充滿修飾者的玻璃都無法把訊號送那麼遠;正是這張無瑕、全面橋接的矽石網路,讓光保持乾淨。同一種材料近乎零的膨脹,也是它用來製作重力波偵測器鏡坯的原因。

毫無斷裂、超純的網路,賦予熔融矽石在常見玻璃中最低的膨脹、最高的加工溫度與最乾淨的光學性能。

熔融矽石是非晶的 SiO2,而非結晶的石英,即使它是靠熔化石英製成的。別把熔融矽石或熔融石英(一種玻璃)與結晶石英(一種礦物)混淆;它們共享一個化學式,卻不共享結構。

又稱
vitreous silicafused quartzquartz glass石英玻璃熔融氧化矽