彩色玻璃背后的科学

Bridget Cunningham 2015年 2月 6日

虽然彩色玻璃的设计现在变得越来越绚丽,但它的制造技术自出现以来就基本没什么变化。本篇博客中,我们除了讨论这一艺术形式之美,还将研究隐藏在它制造背后的科学。

探索彩色玻璃艺术形式

我一直觉得彩色玻璃是一种非常有意思的艺术形式。每当路过装饰有彩色玻璃窗的建筑或教堂时,我总会被它深深地吸引。住在芝加哥时,我曾有幸参观过史密斯彩色玻璃窗博物馆。它是美国第一家专门展出彩色玻璃窗艺术的博物馆,展品中包含各种各样的彩色玻璃作品,从宗教场景、到当代场景,如下图所示。

描绘宗教场景的彩色玻璃窗。

展示当代主题的彩色玻璃。

最近,我又参观了波士顿 The Mary Eddy Baker 图书馆的地球厅。 这个三层楼高的彩色玻璃地球建于 1935 年,由 Chester Lindsay Churchill 设计,它按照每个国家间的精确地理关系绘制出了完整的地球,为我们提供了一个独特的视角来观察这个世界。在这次参观中,我还注意到另一个很有意思的物理元素,那就是室内的声场。房间的形状及所用建筑材料为它带来了一种很有意思的声音效果。其中之一便是回音廊,站在房间对角线的人们可以相互交谈,仿佛人就在身边一样。

受到这次体验的启发,我突然想去研究一下彩色玻璃的历史及它是如何制造的。

美观与实用性的完美结合

彩色玻璃中往往包含大量颜色和复杂设计,这是一种相当吸引眼球的艺术形式。它既是艺术,也是手工艺品,要制作这些采光装饰品,不仅需要艺术天分,还需要相当的工程技巧才能将它们组装在一起。

12 世纪时,彩色玻璃随着哥特式大教堂的兴盛而兴起,彩色玻璃窗被广泛用于大教堂和教堂中。除了能增加建筑结构的美感,这时期的彩色玻璃窗也被看作是一种教育资源,可以向广大不识字的民众讲述圣经故事。

窗户图像。
13 世纪的彩色玻璃窗。(“沙特尔大教堂的彩色玻璃窗建于 13 世纪,其中大量使用了钴蓝色、绿色和紫褐色玻璃,用琥珀色展示细节,并用闪耀的红色来显示边框” 图片由 MOSSOT 自行拍摄。由 Creative Commons Attribution Share-Alike 3.0 授权,并通过Wikimedia Commons 分享。)

随着那个年代的建筑变得更加华丽,彩色玻璃窗也顺应这一潮流,变得更大更精致。虽然彩色玻璃的发展在文艺复兴时期陷入了停滞,但后来人们对中世纪教堂又重新产生了兴趣,再加上对中世纪玻璃设计和制造原理的复原,彩色玻璃这一艺术形式得到了复兴。随着人们重燃兴趣,也把对彩色玻璃艺术的需求推向了新的高度。

现在我们已经了解了它的历史,接着让我们再来看下彩色玻璃的发展吧。

从材料到制造:生产过程

我们可以首先将精力重点放在玻璃的制造上。在中世纪,玻璃厂建成后往往都需要大量的硅供应。这一材料在极高的热量下才会熔化,人们加入铅类材料来降低它的熔点,然后加入类似石灰的物质对玻璃熔化进行稳定。

在玻璃仍处于熔化状态时,向混合物中加入金属氧化物粉末能创造出各种颜色。例如,钴可用于生产蓝色玻璃、铬和铁氧化物可用于生产绿色玻璃,金则可用于生产红宝石色的玻璃。

当混合氯化金和熔融的玻璃来产生红变时,这些艺术家们其实是在做着类似纳米技术学家的工作。混合物中会产生微小的黄金球体,它可以吸收和反射阳光并由此显示出深红色。如想要近距离观察光在这个金球上的散射,可以看一下这个模型

在生产的下一步,会有几种不同的方法来处理熔融的玻璃。让我们先来讨论下古代彩色玻璃窗的两种不同生产方法:遮光玻璃(也称“手吹”圆柱)和冕玻璃。

制造遮光玻璃时,会用一根吹管从正在熔炉中加热的锅中蘸取一团熔融的玻璃。一旦形成合适的形状,就会向熔融的玻璃中吹入一个空气泡。随即会使用金属工具将这一团熔融的玻璃塑造成长的圆柱形,在重新加热熔融玻璃时会再次重复这一步骤。在该阶段,圆柱的底部被移除,做成期望的形状后,将熔融的玻璃进行冷却。打开圆柱的一端后,玻璃被置于一个不同的炉中,加热并变平,然后在退火炉中冷却。

同时,在冕玻璃 的制造中,会向一团熔融的玻璃中吹入一个空气泡。用手旋转这团玻璃,或在类似彩陶纺轮的桌子上进行操作。熔化的气泡会因快速旋转带来的力而展开变平,然后可将玻璃切成几个小片。虽然这种手工吹制方法仍然用于今天的玻璃制造,但不会用于大规模的彩色玻璃生产。

更现代的彩色玻璃生产方法是压制玻璃。在这项技术中,熔化的玻璃被倒入金属或石墨桌上。随即用一个大金属圆柱将玻璃卷成一片,这可以通过手工或机器完成,然后进行退火。该技术最早在 19 世纪 30 年代中期开始商用,直到现在依然被广泛采用。

制作窗户

然后就到了对窗户图案的设计。过去,艺术家会为最终设计制造一个小尺度模型。中世纪时,这类绘图会被直接绘制在一个经水洗的桌子表面,并在其上对窗子进行切割、绘制和拼装。窗子的整体图案被分成一个个的小块,这种小尺度的设计将作为整体窗户图案中每一小块玻璃的模板。

设计完成后,对各色玻璃进行切割以匹配选定的位置。多年以来,人们开发出了多种绘制和着色技术,希望进一步改进彩色玻璃的设计。例如,硝酸银着色可产生黄色,能帮助改进边框和光环;人们还开发出了一种名为Cousin 玫瑰的着色,使艺术家可以更好地表现人体的色调。

最后一步,窗户片中被加入称作嵌条的分隔条,之前为铅条,近代则采用铜条。连接处随即被焊接在一起,在玻璃和分隔条间嵌入油性水泥,以保证稳定,并减少可能发生的摇晃。


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