انبساط سه‌برابری شیشه سودالایم؛ چرا ظروف پیرکس جدید در آشپزخانه منفجر می‌شوند؟

آن ظرف شیشه‌ای پخت‌وپز که ناگهان روی پیشخوان آشپزخانه متلاشی شد، نه کهنه بود و نه نقص کارخانه‌ای داشت؛ مقصر اصلی تغییر در ماده اولیه‌ای است که امروزه برای تولید این ظروف به کار می‌رود. وقتی یک تابه داغ با سطحی سرد تماس پیدا می‌کند، قوانین فیزیکی انبساط حرارتی فعال می‌شوند و شیشه عملاً خودش را از درون تکه‌تکه می‌کند.[4]

برای دهه‌ها، نام پیرکس (Pyrex) یادآور ظروف نشکن و ماندگار آشپزخانه بود. فرمول اصلی که کمپانی کورنینگ (Corning) در سال ۱۹۱۵ معرفی کرد، بر پایه شیشه تخصصی موسوم به بوروسیلیکات ساخته شده بود؛ ماده‌ای حاوی تری‌اکسید بور که واکنش ساختار مولکولی شیشه را در برابر حرارت بالا کاملاً دگرگون می‌کرد.[1][2]

جرقه ورود این شیشه به آشپزخانه‌ها در صنعت راه‌آهن زده شد. کورنینگ شیشه‌ای مقاوم به حرارت به نام نونکس (Nonex) برای فانوس قطارها ساخته بود تا بر اثر باران سرد نشکنند. در سال ۱۹۱۳، فیزیک‌دانی به نام جسی لیتلتون شیشه بریده‌شده یک باتری از جنس نونکس را به خانه برد و همسرش بسی در آن کیک اسفنجی پخت و کارایی فوق‌العاده‌اش در آشپزی اثبات شد.[1]

در سال ۱۹۹۸، کورنینگ بخش تولید محصولات مصرفی خانگی خود را واگذار کرد و در ایالات متحده خط تولید از فرمول اصیل بوروسیلیکات فاصله گرفت. شرکت‌های سازنده بعدی که در نهایت با نام کرل برندز (Corelle Brands) شناخته شدند، خط تولید پیرکس آمریکایی را به شیشه سودالایم سکوریت‌شده (سودا-آهک) تغییر دادند. این تصمیم هزینه‌های تولید را پایین آورد و مقاومت ظرف را در برابر ضربه و افتادن روی زمین سخت افزایش داد.[1][4]

شیمی انبساط حرارتی

با این حال، جایگزینی سودالایم نقطه ضعفی جدی در برابر نوسانات ناگهانی دما ایجاد کرد. ریشه ماجرا در ویژگی‌ای از ماده به نام «ضریب انبساط حرارتی» نهفته است؛ معیاری که دقیقاً نشان می‌دهد حجم یک جسم بر اثر افت‌وخیز دما تا چه حد تغییر می‌کند.[3]

شیشه بوروسیلیکات ضریب انبساط بسیار ناچیزی دارد (تقریباً ۳٫۳ در ۱۰ به توان منفی ۶ بر کلوین). وقتی این شیشه در گرمای فر قرار می‌گیرد، ابعادش تقریباً هیچ تغییری نمی‌کند و ساختارش استوار می‌ماند. همین ثبات ابعادی باعث شده تا بوروسیلیکات همچنان انتخاب اول بشر برای بشرها، لوله‌های آزمایشگاهی و ابزارهای علمی بماند.[2]

در نقطه مقابل، شیشه سکوریت سودالایم ضریب انبساط حرارتی حدود ۹٫۰ در ۱۰ به توان منفی ۶ بر کلوین دارد؛ یعنی با هر درجه تغییر دما، تقریباً سه برابر بیشتر از شیشه بوروسیلیکات منبسط و منقبض می‌شود. در محیط پرنوسان آشپزخانه، این اختلاف بزرگ در تغییر ابعاد به یک نقص خطرناک تبدیل می‌شود.[1][4]

شیشه معمولی سودالایم از اکسید سدیم و اکسید کلسیم به عنوان اصلاح‌کننده شبکه استفاده می‌کند تا نقطه ذوب سیلیس کاهش یابد. این اصلاح‌کننده‌ها پیوستگی پیوندهای سیلیس را دستخوش تغییر می‌کنند و ساختاری می‌سازند که در گرما به شدت باز می‌شود. اما بوروسیلیکات بیشتر این اصلاح‌کننده‌ها را با بور جایگزین کرده و پیوند کووالانسی فشرده‌تر و مقاوم‌تری رقم می‌زند.[2]

فیزیک شوک حرارتی

شیشه ذاتاً رسانای ضعیفی برای گرما است، بنابراین انرژی حرارتی خیلی آرام در آن جابه‌جا می‌شود. وقتی آشپز ظرف سودالایم داغ را از فر ۲۰۰ درجه برمی‌دارد و روی سنگ گرانیتی سرد کابینت می‌گذارد، حرارت به شکل یکدست تخلیه نمی‌شود؛ کف ظرف ناگهان سرد می‌شود، در حالی که لایه‌های درونی و دیواره‌ها همچنان داغ و منبسط هستند.[3]

همین که سطح زیرین خنک می‌شود، بلافاصله شروع به انقباض می‌کند. ولی شیشه داغ مجاور هنوز منبسط است و تسلیم نمی‌شود. این بخش در حال جمع شدن بر ساختار صلب فشار وارد می‌کند و در طول این شیب دمایی تند، تنش کششی درونی عظیمی به وجود می‌آورد.[3]

چون شیشه ماده‌ای تُرد است، انعطاف‌پذیری یا تغییر شکل موم‌سان ندارد؛ نه خم می‌شود و نه کش می‌آید تا فشار را تخلیه کند. به محض اینکه تنش درونی از مقاومت کششی شیشه سودالایم فراتر برود، ظرف به طور ناگهانی دچار گسیختگی فاجعه‌بار شده و ترک با سرعت صوت در آن پخش می‌شود.[3]

این رخداد ناگهانی را «شوک حرارتی» می‌نامند. در شرایطی که بوروسیلیکات به دلیل انبساط ناچیزش از پس این شوک‌ها برمی‌آید، سودالایم حرکتی بیش از حد و سریع دارد. همین ضریب تنش تشدیدشده تضمین می‌کند که ظرف مدرن در شرایطی متلاشی شود که ظرف قدیمی به راحتی از آن جان سالم به در می‌برد.[3][4]

نقش فرایند سکوریت کردن

شکستن این ظروف مدرن معمولاً با صدایی مهیب همراه است، به طوری که مصرف‌کنندگان از آن به عنوان «انفجار» یاد می‌کنند. ماهیت انفجاری شکست، ناشی از فرایند سکوریت کردن در کارخانه است. سکوریت کردن طراحی شده تا مقاومت در برابر ضربه را بالا ببرد، اما تعادل تنش داخلی شیشه را به کلی عوض می‌کند.[1][4]

در جریان ساخت، شیشه را تا نزدیکی دمای نرم شدن داغ می‌کنند و سپس با دمیدن هوای خنک، سطح بیرونی را به سرعت سرد می‌کنند. لایه بیرونی پیش از هسته منقبض و سخت می‌شود. وقتی هسته درونی خنک می‌شود، سطح منقبض‌شده را به کشش دائم می‌اندازد و خود تحت کشش باقی می‌ماند و پوسته در وضعیت فشردگی دائم تثبیت می‌شود.[1][4]

این پوسته فشرده خارجی مقاومت خوبی در برابر افتادن ایجاد می‌کند، زیرا هر ضربه‌ای ابتدا باید بر این فشردگی غلبه کند تا تَرک ایجاد شود. با این حال، این فرایند در عمل مقدار زیادی انرژی جنبشی ذخیره‌شده درون دیواره‌های ظرف حبس می‌کند؛ ظرف مدت‌ها پیش از ورود به فر، در وضعیت تنش پرانرژی قرار دارد.[4]

وقتی شوک حرارتی ترکی ایجاد کند که از لایه محافظتی فشرده عبور کند، این تعادل حساس به هم می‌ریزد. تنش درونی به یکباره آزاد می‌شود و کل ظرف را در کسری از ثانیه متلاشی می‌کند. شیشه به جای تبدیل شدن به تکه‌های تیز و برنده، به هزاران ذره ریز و دانه‌ای خرد می‌شود که این ویژگیِ ذاتی شیشه‌های سکوریت برای کاهش خطر بریدگی است.[1][3]

شناسایی و نگهداری ظروف شیشه‌ای آشپزخانه

خریداران می‌توانند ترکیب ساختاری ظروف خود را با نگاهی به نشان تجاری آن تشخیص دهند. پیرکس‌های آمریکایی قدیمی که پیش از سال ۱۹۹۸ ساخته شده‌اند، معمولاً با حروف بزرگ انگلیسی (PYREX) حک شده‌اند. این ظروف بوروسیلیکات قدیمی بدون مشکل می‌توانند مستقیماً از یخچال وارد فر داغ شوند.[1]

در مقابل، پیرکس‌های مدرن آمریکایی که از جنس سودالایم سکوریت هستند، با حروف کوچک (pyrex) نوشته می‌شوند. اگرچه این ظروف در برابر ضربه مقاوم‌ترند، اما نیازمند مراقبت دقیق حرارتی هستند. تولیدکنندگان روی بسته‌بندی صراحتاً هشدار می‌دهند ظرف داغ روی دستمال خیس، پیشخوان سرد یا سطوح مرطوب گذاشته نشود.[1][4]

این تغییر جنس به سودالایم عمدتاً در بازار آمریکای شمالی رخ داد. سازندگان اروپایی که با مجوز برند پیرکس فعالیت می‌کنند، همچنان تا امروز ظروف پخت‌وپز را با شیشه بوروسیلیکات تولید می‌کنند. در نتیجه، یک برند یکسان بسته به قاره سازنده، ویژگی‌های کاملاً متفاوتی در برابر گرما دارد.[1]

راهکارهای کاهش خطر شکستگی

برای در امان ماندن از شوک حرارتی در ظروف سودالایم، آشپزها باید اختلاف دما را کنترل کنند. ظرف داغ را همیشه روی زیرقابلمه‌ای پارچه‌ای خشک، تخته گوشت چوبی یا پایه‌های خنک‌کننده سیلیکونی قرار دهید. این مواد به عنوان عایق حرارتی عمل کرده و سرعت انتقال حرارت از شیشه داغ را مهار می‌کنند.[4]

اضافه کردن مایعات سرد به ظرف داغ یکی دیگر از عوامل شایع شوک حرارتی است. ریختن آبگوشت یا عصاره سرد روی تابه داغ داخل فر، افتی موضعی در دما ایجاد کرده و چرخه شکست را کلید می‌زند. همیشه مایعات را پیش از افزودن به ظرف شیشه‌ای داغ، گرم کنید.[3][4]

علاوه بر این، ظروف شیشه‌ای سودالایم هرگز نباید روی شعله مستقیم اجاق گاز یا زیر گریل حرارتی قرار بگیرند. منبع حرارت مستقیم و موضعی همان شیب دمایی ویرانگری را می‌سازد که یک پیشخوان سرد ایجاد می‌کند. فر نیز باید کاملاً از قبل گرم شده باشد تا شیشه از همه جهات به شکل یکنواخت حرارت ببیند.[1][3][4]

تغییر مسیر از بوروسیلیکات به سودالایم، یک مصالحه مهندسی میان مقاومت در برابر ضربه و مقاومت در برابر حرارت بود. با شناخت محدودیت‌های فیزیکی ظروف امروزی، می‌توان عادات آشپزی را اصلاح کرد؛ با مهار شیب‌های دمایی شدید، می‌توان مانع از آن شد که یک شام خانوادگی ساده به بارانی از تکه‌های شیشه خردشده ختم شود.[4]