Perché il vetro è trasparente?

Il vetro è sabbia che ha smesso di nascondersi. Il suo ingrediente principale è il quarzo, lo stesso minerale che forma buona parte della sabbia delle spiagge, eppure una manciata di sabbia non fa vedere niente e una finestra fa vedere tutto. Perché il vetro è trasparente e la sabbia no? Ci sono due risposte che vanno a braccetto: una parla di elettroni che rifiutano le mance piccole, l’altra di ordine e disordine. Lungo la strada incontrerai un mito finito perfino in un’enciclopedia seria, una lastra di legno attraverso cui si vede, dei finestrini dell’auto che lasciano passare più sole di quanto pensi e, per chiudere, Murano.

Elettroni che rifiutano le mance piccole

La luce viaggia in pacchettini di energia chiamati fotoni. Quando un fotone colpisce un materiale, succede una di due cose: un elettrone del materiale se lo prende, oppure nessuno lo vuole e il fotone tira dritto.

Perché un elettrone si prenda un fotone, il fotone deve dargli esattamente l’energia che gli serve per salire di livello. Gli elettroni non accettano cifre a caso. O gli dai giusto quello che serve per salire al gradino successivo, o non se ne fa niente. Il corso introduttivo sui materiali della Pennsylvania State University lo spiega con delle file: gli elettroni di un atomo possono stare solo in certe file, e per passare alla successiva hanno bisogno di una spinta della misura giusta.

Nel vetro queste file sono così distanti che un fotone di luce visibile non ha la forza di far saltare nessun elettrone. Il fotone arriva, nessun elettrone può prenderselo, e va avanti. Moltiplica questo per la quantità spropositata di fotoni che entrano da una finestra e ottieni un materiale che lascia passare la luce quasi intatta.

È la prima condizione per essere trasparenti: la luce visibile non deve essere assorbita. Ma da sola non basta. Anche la sabbia non assorbe poi tanta luce, eppure attraverso non si vede niente.

Perché il vetro è trasparente e la sabbia no

Qui entra in gioco il secondo ingrediente: l’ordine. Il quarzo della sabbia è cristallino. I suoi atomi stanno in un reticolo regolare, e ogni granello ha facce, spigoli e difetti. Secondo lo stesso corso della Penn State, spigoli e difetti dei cristalli riflettono e disperdono la luce. Ogni volta che un raggio passa da un granello all’altro, o da un granello all’aria, cambia direzione. Dopo migliaia di rimbalzi la luce esce da una parte qualsiasi e l’immagine si perde. Ecco perché un mucchio di sabbia sembra bianco o dorato, ma non trasparente.

Il vetro è fatto quasi della stessa roba, con una differenza: i suoi atomi non formano cristalli. Restano alla rinfusa, come in un liquido, ma fermi. Gli scienziati lo chiamano materiale amorfo. Questa struttura amorfa, spiega la Penn State, rompe l’organizzazione a bande che avrebbe il quarzo cristallino, così non restano livelli verso cui un elettrone possa saltare assorbendo luce visibile. E siccome dentro non ci sono granelli né spigoli, il materiale è uniforme su scala microscopica e la luce non ha niente contro cui rimbalzare.

Riassunto da bar: il vetro è trasparente perché i suoi elettroni non possono tenersi la luce visibile e perché non ha confini interni che la deviino. La sabbia supera il primo esame a metà e boccia il secondo.

Il legno che si lascia guardare

Se il trucco è non assorbire e non disperdere, qualsiasi materiale che ci riesca dovrebbe diventare trasparente. Nel 2016 un gruppo del Reale Istituto di Tecnologia KTH di Stoccolma, guidato da Lars Berglund, l’ha dimostrato con il legno.

Gli svedesi hanno tolto chimicamente da un sottile foglio di legno la lignina, uno dei componenti delle pareti delle cellule vegetali. Il foglio è diventato bianco e poroso, ma ancora opaco. Poi hanno riempito i pori con un polimero trasparente e hanno accordato su scala nanometrica le proprietà ottiche dei due materiali, così che la luce non si accorgesse del passaggio dall’uno all’altro.

Il risultato, pubblicato sulla rivista Biomacromolecules, è stato un legno attraverso cui si vede. Nessuna magia: hanno tolto quello che colorava e tappato i buchi in cui la luce si perdeva. Il vetro fa la stessa cosa senza che nessuno glielo chieda.

L’ultravioletto si ferma per strada

Se la luce visibile passa perché le manca energia, una luce più energetica dovrebbe restare intrappolata. Ed è così. I fotoni ultravioletti arrivano con l’energia giusta perché gli elettroni del vetro se li prendano, spiega la Penn State, ed è per questo che il vetro frena i raggi del sole che abbronzano.

C’è una clausola in piccolo. Secondo un corso online sulla lavorazione del vetro ospitato dalla Lehigh University e tenuto dal professor James E. Shelby, nel vetro commerciale il taglio dell’ultravioletto cade intorno ai 310 nanometri, e dipende meno dal vetro in sé che dal ferro che contiene come impurità. Sopra quel limite, una parte dell’ultravioletto a lunghezza d’onda maggiore, l’UVA, passa.

In macchina si vede. Nel 2016 uno studio pubblicato su JAMA Ophthalmology ha misurato quanta radiazione UVA bloccavano i vetri di 29 auto di 15 case automobilistiche. I parabrezza ne fermavano in media il 96 %. I finestrini laterali solo il 71 % in media, con casi che scendevano al 44 %. La differenza sta in come sono fatti: il parabrezza è in vetro stratificato, i finestrini di solito in vetro temperato. Gli autori hanno anche visto che i vetri oscurati, che fanno passare meno luce visibile, non garantiscono di bloccare più UVA.

Il verde che si vede dal bordo

Guarda una finestra di fronte e sembra incolore. Guardala dal bordo e vedrai un verde bottiglia. Anche quel verde è colpa del ferro.

Il corso di Shelby è chiaro: il ferro è l’impurità più comune nelle sabbie usate per fare il vetro e il colorante più frequente del vetro commerciale. Dà al vetro piano varie sfumature di verde, e alle bottiglie verdi e ambrati. Allo spessore di una finestra normale il colore si nota appena. Ma guardando dal bordo la luce attraversa centimetri di vetro invece di pochi millimetri, e il verde si accumula fino a saltare all’occhio.

Liberarsene non è facile. Per fare il vetro più limpido, quello che l’industria chiama “bianco acqua”, bisogna eliminare gran parte dell’ossido di ferro. E a volte lo si tiene apposta: il vetro per auto contiene più ferro, perché una forma del ferro aiuta a frenare l’ultravioletto che rovina le plastiche e un’altra aiuta a tenere a bada il calore che entra con il sole.

Le vetrate non colano

Adesso il mito. L’avrai sentito al bar: il vetro sarebbe in realtà un liquido lentissimo, e la prova sarebbero le vetrate delle cattedrali medievali, più spesse in basso perché il vetro sarebbe colato giù nei secoli.

Nel 1998 l’ingegnere dei materiali Edgar Dutra Zanotto, dell’Università Federale di São Carlos in Brasile, si è messo a fare i conti dopo che studenti e colleghi gliel’avevano chiesto più volte. Nel suo articolo sull’American Journal of Physics racconta di aver pensato all’inizio che fosse un mito brasiliano, finché ha scoperto che un collega l’aveva sentito in Argentina, e un revisore della rivista gli ha confermato che era diffuso negli Stati Uniti. Compariva perfino in un manuale di scienza dei materiali e nella seriosissima Encyclopaedia Britannica.

Per i suoi calcoli non si è limitato al vetro moderno. L’articolo riporta la composizione di un vetro giallo medievale della cattedrale di Saint-Gatien a Tours, in Francia, e una tabella che mostra quanto variassero le ricette medievali: la silice, l’ingrediente principale, andava dal 45 al 75 per cento della miscela.

I risultati non lasciano scampo. Per vedere un flusso apprezzabile in 800 anni bisognerebbe scaldare un tipico vetro medievale a circa 414 gradi. A temperatura ambiente il vetro di una finestra colerebbe solo in tempi che superano di gran lunga la storia umana. E aggiunge una prova che chiunque può verificare: nei musei ci sono vasi di vetro vecchi di migliaia di anni che non si sono deformati.

E allora perché alcune vetrate sono più spesse in basso? Zanotto dà una spiegazione da bottega. Il vetro da finestra antico veniva soffiato a forma di cilindro, che poi si tagliava e si appiattiva a mano. I pezzi venivano fuori di spessore irregolare, e alcune parti in basso potevano essere più spesse di quelle in alto, così come altre potevano essere più sottili.

Nel 2018 la storia ha avuto un secondo tempo. John Mauro, ricercatore della Penn State, ha rifatto i conti usando la composizione reale del vetro del XIII secolo delle finestre dell’abbazia di Westminster. Ha scoperto che le stime precedenti erano sbagliate di 16 ordini di grandezza: quel vetro scorre molto più in fretta di quanto si pensasse. Eppure servirebbero miliardi di anni per cambiare la sua forma di qualche nanometro. Il mito resta morto, solo con un certificato di morte più preciso. Mauro la riassume così: il vetro è un ibrido, con una struttura da liquido e un comportamento meccanico da solido.

Murano e le fornaci esiliate

Le fornaci da vetro hanno un difetto: danno fuoco alle cose. Nel 1291, secondo il portale ufficiale del turismo italiano, la Serenissima decretò che le vetrerie di Venezia fossero trasferite sull’isola di Murano, per contenere i disastrosi incendi provocati dai forni dei laboratori. Una misura antincendio che ha riunito tutti i vetrai di Venezia su un’isola sola, e che è il motivo per cui la domanda “perché il vetro di Murano è famoso” ha una risposta che comincia con un incendio. Lo stesso portale chiama Murano la patria del vetro soffiato, e sull’isola c’è un Museo del Vetro, a Palazzo Giustinian, che ne ripercorre la storia.