LA  VERA  STORIA  DEI  VETRI  OTTICI  MODERNI

THE  TRUE  TELL  ABOUT  MODERN  OPTICAL  GLASSES



ABSTRACT

Previously shared folks spoke about wartime glasses limited to highly dispersive Flints
made with Thorium oxide, barely reaching a refractive index of 1,75 and not exceeding
an Abbe number of  less than 30, or about fluor-krown glasses with an Abbe dispersive
number with a top peak of 70; Uncording to that goodnight tells in early '50s the Thorium
was replaced by Lanthanum oxide, allowing a new series of Lanthanum glasses radiations-free
and allowing an higher Abbe number, and finally, in late '60s, new fluoride glasses reached
the ED designation with an Abbe number a shade over 80...  Forget about all that: just before
the end of WWII  Kodak chemistry gurus had discovered both rare earth oxides and fluorides,
conceiving glasses whose extreme parameters peaked the actual ultimate limits: the following,
true evolution only involved scratch and moisture resistante, solubility, radioactivity and other
phisic properties like  obtaining a clear, haze free not de-vetrificated glass and the elimination
of poisonous and hazardous materials... BUT refractive and dispersive indexes were on mankind
limits even at time!

03/01/2008

 

E' da molto tempo che sto cercando una visuale di ampio spettro sull'evoluzione del vetro ottico
nei tempi moderni, diciamo dagli anni '20 dello scorso secolo fino ad ora, ed incrociando molto
materiale mi sono reso conto che la storia del vetro come viene raccontata di solito è quantomeno
inesatta, se non proprio una favola della buonanotte; riassumendone i capisaldi, finora era certezza
comune: A) che fino al tempo di guerra (metà anni '40) i vetri ad alta rifrazione fossero limitati ai vecchi
Flint (come gli SF10 od SF11), con indici di rifrazione che si assestavano poco oltre 1,75 ed un numero
di Abbe relativo alla dispersione (più alto il quoziente, più bassa la dispersione stessa) che non arrivava a 30
(contro i 64 di un vetro "standard" BK7); B) che i vetri fluor-krown a bassa dispersione non superassero un
numero di Abbe pari a 70; C) che i vetri ad alta rifrazione fossero ottenuti di norma con ossido di Torio, radioattivo,
sostituito solo ad inizio anni '50 dall'ossido di Lantanio ed altre terre rare, che permisero di realizzare i nuovi
vetri LAK ed LASF ad alta rifrazione, bassa dispersione e completamente privi di materiali fissili; D) che i
vetri ai fluoruri e fluorofosfati di tipo ED (con numero di Abbe superiore a 75-80) siano comparsi soltanto
a fine anni '60.

Su queste serie di "dogmi" ci si è sempre adagiati, ricamando un autentico epos omerico su questi fantastici
vetri "Lanthan", "alle terre rare", etc. comparsi negli anni '50 e responsabili dei nuovi ed arditi progetti che
fecero sbocciare l'ottica attuale; la cruda verità - invece - dimostra che i tecnici che facevano capo alla Eastman
Kodak di Rochester avevano individuato tutti i fluoruri e gli ossidi ad alto peso molecolare responsabili
dell'aumento di rifrazione e del controllo sulla dispersione, progettando fra il 1935 ed il 1946 un'intera generazione
di vetri ai fluoruri, ai fluoro-fosfati ed agli ossidi di terre rare le cui caratteristiche di rifrazione e dispersione
EGUAGLIAVANO  E  SUPERAVANO  I  VETRI  PIU'  ESTREMI  ATTUALMENTE  IN  PRODUZIONE;
infatti, in questo famoso Boeing 747 prima dei fratelli Wright (citazione dovuta) erano annoverati vetri con indice
di rifrazione da 2,022, così come materiali con numero di Abbe pari a 102,6, così come e soprattutto versioni
alle terre rare con un eccezionale rapporto rifrazione dispersione, a stento raggiunto dalle attuali "star del settore"
come lo Schott LASF31-A (nD= 1,88  nD= 40,8) o Leitz 900/1 "Noctilux" (nD= 1,900  vD= 40,5); ancora
più interessante sarà la rivelazione che smentisce l'inquadramento cronologico di Lantanio ed altre terre rare ad
inizio anni '50: già 20 anni prima il Prof. George W. Morey (per la Eastman Kodak Co.) aveva indagato
sistematicamente l'interazione di tutti gli ossidi sulle caratteristiche rifrattive e dispersive del vetro ottico, individuando
gli elementi che permettevano di ottenere un indice di rifrazione altissimo coniugato ad una dispersione molto bassa.

Gli studi di Morey e dei suoi pupilli, Leon Ebelin e Paul de Paolis, misero a fuoco che l'aggiunta di particolari ossidi
all'impasto vetroso garantiva le nuove e graditissime caratteristiche, indicando come preferenziali LANTANIO,
TANTALIO, TORIO, TUNGSTENO, TITANIO, ZIRCONIO, YTTRIO, NIOBIO e AFNIO; i loro calcoli,
conclusi parallelamente nel Settembre 1935, evidenziarono fin dall'inizio la funzione chiave dell'ossido di Lantanio
per garantire un'altissima rifrazione con numero di Abbe insolitamente elevato, scoprendo contestualmente che,
impiegandolo nelle dosi necessarie, la miscela perde le sue caratteristiche fisiche, de-vetrificando improvvisamente
ed assumendo un aspetto disomogeneo e striato; per ovviare a quest'inconveniente, fin da allora avevano individuato
i composti accessori tuttora impiegati per "controllare" il Lantanio quando viene aggiunto in dosi massicce (anche
oltre il 50% in mole), cioè l'ossido di Titanio o di Tungsteno; l'ossido di Tantalio e l'ossido di Torio venivano
comunque aggiunti perchè rendevano il vetro più fluido, amorfo, trasparente e facile da colare e lavorare a freddo,
ma va assolutamente sfatata la diceria che all'epoca l'ossido di Torio fosse l'unico asso nella manica dei progettisti:
fra i calcoli di Morey ed Eberlin, già a fine 1935, c'era un vetro di caratteristiche simili al celebre vetro "Noctilux
di Leitz (nD= 1,898  vD= 39,6  contro 1,900 e 40,5) e che oltre all'ossido di Torio conteneva ben il 66,7% fra
ossido di Lantanio ed ossido di Tantalio!

 

Lo schema chiave del progetto di George W. Morey per Eastman Kodak Co.,
divulgato la prima volta nel Settembre 1935, mostra la posizione dei vari tipi di
vetro da lui creati sulla tavola di Abbe, evidenziandone le eccezionali caratteristiche
di rifrazione e dispersione: a parte i tipi con rifrazione superiore a 2,00 la vera star
del lotto è il tipo M, le cui proprietà sono quasi identiche a quelle del vetro "Noctilux"
o dell'attuale Schott LASF31-A od Ohara  S-LAH58....

 

Sull'altro versante, la Kodak poteva contare su due chimici specializzati in aloidi e fosfati,
che avevano sperimentato praticamente tutti i fluoruri esistenti, combinandoli per ottenere
vetri a bassissima dispersione, mai visti prima; il cinese Kuan-Han Sun e Maurice Huggins
presentarono il 15 Dicembre 1944 un progetto globale che conteneva ben 48 tipi di vetro
ai fluoruri, cercando di contenere il velenosissimo fluoruro di Berillio (parzialmente abbinato
o sostituito da fluoruro di Alluminio), limitando i fluoruri facilmente solubili come quelli di
Litio, Sodio, Potassio, Rubelio e Cesio ed impiegando largamente fluoruri più stabili e
resistenti all'azione meccanica o agli agenti esterni come i composti di Magnesio, Calcio,
Stronzio, Bario, Piombo, Yttrio, Lantanio, Presodimio, Neodimio, Samario, Bismuto, Indio,
Gadolinio, Cesio e Torio; considerando che un attuale vetro "ED" ha un numero di Abbe
di circa 81,6 e la stessa Fluorite (fluoruro di calcio) arriva a circa 95, i vetri si Sun ed Huggins
erano davvero eccezionali, dal momento che spaziavano su valori nell'ordine di 95,3, 99,5,
100,5 o 102,6; la Fluorite naturale non ha solamente un numero di Abbe elevatissimo ma
anche una dispersione parziale anomala molto alta nel blu-violetto e molto bassa nel rosso,
una caratteristica molto utile nel calcolo delle ottiche, ed un obiettivo secondario del loro
progetto era di replicare e addirittura migliorare queste caratteristiche nei nuovi vetri...



alcuni vetri del corposo progetto di Sun ed Higgins posizionati sulla tavola di Abbe
assieme alle Fluoriti di Calcio e Litio; come si può notare la dispersione di quasi tutti
questi vetri (ricordiamolo, datati 1944) è inferiore a quella dei materiali cristallini!

 

Senza dilungarmi ulteriormente propongo a seguire una tavola di Abbe di origine
Schott AG e che riporta tutti gli attuali vetri prodotti dalla celebre vetreria di Mainz,
cui ho sovrapposto nella posizione corrispondente le versioni progettate fra il 1935
ed il 1946 da George Morey, Leon Eberlin, Kuan-han Sun e Maurice L. Huggins
per la Eastman Kodak Co. di Rochester (New Jersey); basta un colpo d'occhio per
rendersi conto che sia i valori estremi di rifrazione o dispersione sia i migliori compromessi
attuali fra i due parametri erano già stati raggiunti e superati dalle versioni da loro ideate

 

Già nel 1935 la Kodak disponeva dei diritti su  vetri dalle incredibili caratteristiche, come ad esempio
nD= 2,008/vD=25,2 , nD=1,898/vD=39,6 ed nD=1,7667/vD=51,4; nel 1944 si aggiunsero vetri ai fluoruri
con numero di Abbe compreso fra 95,3 e 102,6 e nel 1946 vetri ai fluoro-fosfati e fluoro-borati con altre
versioni eccezionali, fra le quali: nD=1,9148/vD=33,8 , nD=1,8832/vD=40,2 , nD= 1,8535/vD=43,6 ,
nD=1,7302/vD=54,6 , nD=1,708/vD=58,5 , nD=1,5205/vD=74,2; tuttora non sono in produzione vetri
con proprietà superiori e da questa chiave di lettura va riconsiderato il senso evolutivo dei vetri ottici negli
ultimi 60 anni


Il senso di questa smaccata leadership Kodak nel periodo di guerra va ricercata nell'insieme di realtà coagulate
attorno alla città di Rochester: la celebre università, fucina di talenti, le numerose vetrerie ed i colossi Eastman
Kodak e Bausch & Lomb, una catena cinematica ben oliata che poteva contare su progettisti di assoluto valore
che seppero sperimentare miscele composte praticamente da tutti gli elementi disponibili sul mercato allo stato
raffinato; i relativi brevetti furono da un lato come un macigno nella pozzanghera e dall'altro legarono le mani a
molti costruttori e vetrerie europee; resta parzialmente senza giustificazione il ritardo evidenziato in quel periodo
dalla vetreria di casa Zeiss, la Schott & Genoessen, a maggior ragione se consideriamo la grande accelerazione
imposta dal regime in vista della guerra: analizzando i progetti tedeschi di quel tempo si nota come la maggior
parte dei teleobiettivi fosse destinato ad un impiego speciale con filtri taglia-banda rossi ed infrarossi, il che non
richiedeva l'adozione di vetri a bassissima dispersione o con un favorevole rapporto nD/vD per la loro correzione
(non serviva una prestazione apo- od acromatica), ed i fluor-krown acid glass correnti (con vD fino a 70) erano
sufficienti per la correzione dei grandangolari spinti che stavano sperimentando.... Fatto sta che questa serie di vetri
nati oltreoceano erano avanti decenni rispetto alle versioni europee.

In quest'ottica cade anche il mito del famoso LAK9, il primo vetro asseritamente composto anche da ossido di Lantanio
e privo di Torio, progettato alla vetreria Leitz di Wetzlar e poi concesso per la produzione di massa alle altre vetrerie,
Schott in primis: come già accennato, un massiccio utilizzo di Lantanio era pianificato già da quasi 20 anni, e l'assoluta
assenza di ossido di Torio non stava ad indicare una rinnovata tecnologia, ma semplicemente l'utilizzo di una quantità di
ossido di Lantanio più contenuta, al punto che non interferiva più con le corrette caratteristiche fisiche del vetro finale e
non richiedeva quindi l'intervento "contenitivo" del succedaneo ossido di Torio: infatti il vetro LAK9 presenta un indice
di rifrazione di 1,69 ed un numero di Abbe pari a 54,7, un rapporto ampiamente superato dai vetri di Sun del 1946
(ad esempio: 1,73 / 54,6); i parametri dell'LAK9 erano dunque, in realtà, abbastanza conservativi, ed è questa la vera
ragione per cui fu possibile omettere l'ossido di Torio dai suoi composti.

Per fornire un quadro completo di quanto fossero avanzati gli studi di Morey, Eberlin, Sun, Huggins e De Paolis
allegherò a seguire le caratteristiche ottiche dei vetri più interessanti assieme alla loro composizione percentile espressa
in moli.


GEORGE  W.  MOREY  per  EASTMAN  KODAK  Co.,  ROCHESTER  -  03/09/1935

nD= 2,022  vD= 19,2

ossido di Tantalio = 50%   ossido di Titanio = 50%


nD= 2,008   vD= 25,2

ossido di Lantanio = 42%   ossido di Zirconio = 6%   ossido di Tantalio = 28%   ossido di Titanio = 12%
ossido di Boro = 12%


nD= 1,995   vD= 26,6

ossido di Lantanio = 50%   ossido di Zirconio = 10%   ossido di Titanio = 12%   ossido di Tungsteno = 14%
ossido di Boro = 14%

(notare la modernità di questo vetro: ci sono già gli "antagonisti" del Lantanio , Zirconio e Titanio, che consentono
di adottarne ben il 50%, evitando l'utilizzo di ossidi radioattivi)


nD= 1,898   vD= 39,6

ossido di Lantanio = 37,5%   ossido di Tantalio = 29,2%   ossido di Torio = 16,7%   ossido di Boro = 16,6%

(le caratteristiche nD/vD di questo vetro del 1935 sono eccezionali, pressochè identiche a quelle dei più
moderni Short-Flint al Lantanio; dai quali si differenzia per l'adozione dell'ossido di Torio, radioattivo;
negli stessi anni c'era un progetto inglese per un vetro analogo ancora più spinto: nD= 1,91  vD= 42)

nD= 1,893   vD= 30,8

ossido di Lantanio = 51%   ossido di Tungsteno = 15%   ossido di Zirconio = 11%   ossido di Titanio = 13%
ossido di Boro = 12%

(un altro vetro modernissimo per il 1935, con oltre il 50% di ossido di Lantanio ed il 15% di ossido di Tungsteno
la cui azione de-vetrificante è contenuta anche in questo caso da Zirconio e Titanio; in questo modo non
adotta materiali radioattivi)


nD = 1,85   vD= 42

ossido di Lantanio: 36%   ossido di Tantalio = 28%   ossido di Torio = 16%   ossido di Boro = 20%


nD= 1,848   vD= 32,5

ossido di Lantanio = 60%   ossido di Zirconio = 8,5%   ossido di Titanio = 17%   ossido di Boro = 12,5%
Borace = 2%

(un vetro che sonda i limiti quantitativi del Lantanio mantenendo le necessarie caratteristiche vetrose
del materiale, inserendo a tal fine - oltre ai già visti Zirconio e Titanio, una piccola quantità di Borace
come "fluxing agent": i vetri attuali non sono andati oltre questo rigo)


nD= 1,842   vD= 35,5

ossido di Lantanio = 51%   ossido di Tungsteno = 15%   ossido di Titanio = 13%   ossido di Zirconio = 11%
ossido di Boro = 10%


nD= 1,8119   vD= 41,15

ossido di Lantanio = 28%   ossido di Tantalio = 28%   ossido di Torio = 14%   ossido di Boro = 22%
nitrato di Litio = 8%

(anche il nitrato di Litio serve come "fluxing agent" per contrastare l'azione deleteria degli ossidi
utilizzati in dose massiccia)


nD= 1,805   vD= 40,3

ossido di Lantanio = 26,3%   ossido di Tantalio = 26,3%   ossido di Torio = 20,2 %   ossido di Boro = 22,7%
Borace = 4,5%

(anche in questo caso l'oltre 70% di ossidi ad alto peso molecolare richiede il Borace come "fluxing agent")


nD= 1,8036   vD= 42,38

ossido di Lantanio = 28%   ossido di tantalio = 28%   ossido di Torio = 14%   ossido di Boro = 20%
nitrato di Litio = 10%

(stesse considerazioni di cui sopra per il nitrato di Litio)


nD= 1,7667   vD= 51,4

ossido di Torio 41%   ossido di Lantanio 33%   ossido di Boro 26%

(questo vetro ha un eccezionale rapporto nD/vD che viene pagato a caro prezzo, utilizzando ben il 41% di
ossido di Torio, una quantità francamente allarmante...)


nD= 1,7227   vD= 54,1

ossido di Lantanio = 60%    ossido di Boro = 40%

(questo vetro è probabilmente sperimentale, ma il 60% di ossido di Lantanio senza "moderatori" fornirà
quasi sicuramente caratteristiche fisiche non appropriate all'utilizzo previsto in ottica)


nD= 1,7175   vD= 54,1

ossido di Lantanio = 22,2%   ossido di tantalio = 22,2%   ossido di Torio = 22,2%   ossido di Boro = 33,4%

 

Nello stesso periodo anche uno dei pupilli del Dr. Morey, Leon W. Eberlin, stava lavorando sui nuovi vetri del
maestro e pubblicò anche lui i suoi risultati nel mese di Settembre del 1935; in sostanza l'implemento di Eberlin
consisteva nell'eliminazione dell'ossido di Titanio (per ragioni che mi sfuggono, essendo quest'ultimo inerte, non
tossico e non radioattivo) e nella considerazione che l'ossido di Zirconio poteva in certe proporzioni sostituire
l'ossido di Torio mantenendone gli effetti, aprendo la strada alla lenta e progressiva eliminazione di questo materiale
fissile; ecco le composizioni di alcuni vetri rivisti da Eberlin.



LEON  W.  EBERLIN  per  EASTMAN  KODAK  Co.  -  03/09/1935

 

nD= 1,898   vD= 39,6

ossido di Lantanio = 37,5%   ossido di Tantalio = 29,2%   ossido di Torio = 16,7%   ossido di Boro = 16,6%


nD= 1,85   vD= 42

ossido di Lantanio = 36%   ossido di Tantalio = 28%   ossido ti Torio = 16%   ossido di Boro = 20%


nD= 1,8119   vD= 41,15

ossido di Lantanio = 28%   ossido di Torio = 28%   ossido di Tantalio = 14%   ossido di Boro = 22%
nitrato di Litio = 8%


nD= 1,809   vD= 35,0

ossido di Lantanio = 49,2%   ossido di Tantalio = 23%   ossido di Torio = 9,8%   ossido di Zirconio = 4,9%
ossido di Boro 9,8%   Borace = 3,3%


nD= 1,8037   vD= 42,38

ossido di Lantanio = 28%   ossido di Torio = 28%   ossido di Tantalio = 14%   ossido di Boro = 20%
nitrato di Litio = 10%



Da questa prima tranche possiamo quindi dedurre che già a metà anni '30 l'ossido di Lantanio (assieme a
quello di Tantalio, Zirconio e Titanio) era ben conosciuto per le sue prerogative che lo ponevano come
valida alternativa all'ossido di Torio, potenzialmente pericoloso, e già allora era previsto un impiego massiccio
di questo materiale, fino al 60% in mole; considerando l'elevato peso specifico di questi ossidi, molto spesso
il loro peso all'origine superava il 90% del totale, rendendo questi vetri speciali sicuramente molto costosi...
Faccio altresì presente che in questi "vetri", in realtà, di vetro come comunemente viene inteso (sabbia silicea,
biossido di Silicio, SiO2) non ce n'è nemmeno l'ombra!

All'epoca il vero problema non consisteva tanto nel procurarsi questi ossidi delle terre rare quanto ottenerli al
necessario grado di purezza: infatti, mai prima di allora - nei limitati campi di utilizzo di questi materiali - si era
richiesta una raffinazione così accurata: lo stesso Morey, nella discussione relativa ai suoi vetri, asseriva che
l'ossido di Tantalio reperibile in commercio conteneva quote imprecisate di ossido di Niobio, anch'esso
efficace nel migliorare la rifrazione mantenendo bassa la dispersione, e non sapeva quantificare il reale
contributo del Tantalio allo stato teoricamente puro....

Per quanto riguarda il Lantanio, l'ossido più ampiamente utilizzato già in questi progetti pionieristici, al tempo
di guerra la preoccupazione non era tanto quella di eliminare i residui di Torio (del resto aggiunto comunque
ed in dosi massicce all'impasto di vetro) bensì quelli di Ferro e Cesio, dal momento che alle altissime temperature
di fusione previste  questi "intrusi" viravano, inquinando il vetro che da trasparente assumeva una forte colorazione
giallo-arancio; due dipendenti della Eastman Kodak, Albert E. Ballard e Lawrence E. Martinson effettuarono
inedite ed approfondite ricerche per ottenere un metodo di purificazione del Lantanio che fosse efficace, pratico
ed economico, arrivando alla soluzione il 5 Febbraio 1942..



PURIFICAZIONE  DEL  LANTANIO  DA  SALI  DI  FERRO  E  CESIO

ALBERT  E.  BALLARD,  LAWRENCE  E.  MARTINSON  PER  EASTMAN  KODAK  Co.  -  05/02/1942


Gli studi di Ballard e Martinson, poi implementati anche nel 1944, partivano dal presupposto che il Lantanio
commerciale raffinato conteneva sali di Ferro e Cesio che avrebbero fornito al vetro finale un cast cromatico
inaccettabile per l'utilizzo previsto: se infatti era possibile ottenere un vetro ad alta rifrazione a bassa dispersione
praticamente incolore utilizzando Lantanio puro, bastava che il Lantanio portasse nell'amalgama una quantità di
CeO2 inferiore allo 0,16% sul peso finale del vetro per causare una colorazione gialla simile a quella di un filtro
Y44, mentre la compresenza di sali di Ferro avrebbe dato una dominante arancio-ambrata di forte entità.

Il materiale ottenuto dalla raffinazione in cascata delle sabbie di Monazite (per ripetute ricristallizzazioni) era
solitamente nitrato di Ammonio e Lantanio, tipicamente inquinato con sali di Ferro (derivati dai contenitori della
lavorazione) ed ossido di Cerio (non dimentichiamo che la Monazite è basilarmente un fosfato di Cerio che
contiene solo accidentalmente ossidi di Lantanio, Torio ed Yttrio); il metodo di purificazione ideato da Ballard
e Martinson prevedeva di sciogliere il nitrato di Ammonio e Lantanio in acqua pura fino ad ottenere una soluzione
al 25%, cui andava aggiunto il 30% di perossido d'Idrogeno (acqua ossigenata) e carbonato d'Ammonio; la
miscela andava scaldata fino al punto di ebollizione, perdendo inizialmente una piccola quantità di Lantanio sotto
forma di carbonato di Lantanio solido (che precipitava), ma avvicinandosi al punto di ebollizione compariva
un ulteriore precipitato giallo (costituito dal ferro e dal Cesio indesiderati), che poteva essere facilmente filtrato;
il liquido così depurato veniva trattato con acido ossalico, ottenendo così ossalato di Lantanio che poteva essere
calcinato ad alta temperatura, ricavando ossido di Lantanio estremamente puro; non mi dilungo oltre nella descrizione,
tuttavia queste informazioni rivelano quanto fosse già avanzato lo studio sul Lantanio ben prima di quegli anni '50
considerati fina ad ora come l'alba di questa nuova tecnologia applicata al vetro ottico.


Fino a questo momento abbiamo preso in considerazione gli archetipi dei vetri ad altissima rifrazione o di quelli
che garantiscono il migliore rapporto alta rifrazione/bassa dispersione, ma anche sull'altra sponda, parlando di
vetri a bassissima dispersione (quelli attualmente definiti ED, UD, SD, ELD, etc.) i grandi chimici della Eastman
Kodak, al tempo di guerra, erano all'avanguardia assoluta: in particolare, il geniale cinese Kuan-Han Sun ed il
suo partner Maurice Huggins inventarono letteralmente una nuova generazione di vetri ai Fluoruri (caratterizzati
per definizione da un indice di rifrazione di solito inferiore ad 1,5 e da un numero di Abbe superiore a 65-70),
con una dispersione così ridotta ed uno spettro secondario anomalo così favorevole da superare addirittura le
caratteristiche dei materiali cristallini "perfetti", le Fluoriti di Calcio e Litio; come accennato, il 15 Dicembre 1944
i due tecnici consegnarono la documentazione relativa a ben 48 nuove varietà di vetro ottico ai fluoruri, realizzati
col duplice intento di fornire una bassissima dispersione (necessaria alla correzione apocromatica di certi obiettivi)
e di creare composti sufficientemente stabili ed utilizzabili concretamente, limitando per quanto possibile i classici
difetti dei vetri acidi ai fluoruri, come tendenza alla birifrangenza, alla de-vetrificazione, alla sfaldatura, la scarsa
resistenza meccanica, la parziale solubilità, l'elevata igroscopicità o l'espansione termica anomala, limitando anche
materiali molto velenosi come il fluoruro di Berillio; molti di questi vetri incarnano al massimo grado i parametri tipici
del fluor-krown acid glass, arrivando ad un indice di rifrazione pari ad 1,37 e ad un numero di Abbe di oltre 102!

Ecco le caratteristiche e le composizioni di alcuni fra i materiali più interessanti, facendo presente che nei moderni,
diffusi ed apprezzatissimi vetri ED il numero di Abbe è pari ad 81,6...

 

KUAN-HAN  SUN,  MAURICE  HUGGINS  PER EASTMAN  KODAK  Co.  -  15/12/1944



nD= 1,3718   vD= 102,6

fluoruro di Magnesio = 13%   fluoruro di Calcio = 16%   fluoruro di Stronzio = 10%   fluoruro di Lantanio = 11%
fluoruro di Alluminio = 27%   fluoruro di Berillio = 23%

(questo vetro è la versione più spinta presente nel progetto globale, superando ampiamente le Fluoriti
cristalline nelle sue caratteristiche di dispersione e bissandone il comportamento come dispersione parziale
anomala nel rosso e nel blu)


nD= 1,3822   vD= 100,5

fluoruro di Magnesio = 12%   fluoruro di Calcio = 13%   fluoruro di Stronzio = 8%   fluoruro di Bario = 11%
fluoruro di Lantanio = 5%   fluoruro di Cesio = 4%   fluoruro di Torio = 5%   fluoruro di Alluminio = 20%
fluoruro di Berillio = 22%

(in questo vetro, oltre al velenosissimo fluoruro di Berillio è presente anche il fluoruro di Torio, anche se
in piccole quantità)


nD= 1,3838   vD= 100,4

fluoruro di Magnesio = 12%   fluoruro di Calcio = 13%   fluoruro di Stronzio = 8%   fluoruro di Bario = 11%
fluoruro di Lantanio = 5%   fluoruro di Cesio = 4%   fluoruro di Torio = 5%   fluoruro di Alluminio = 21%
fluoruro di Berillio = 21%

(vetro simile al precedente, con 1% di fluoruro d'Alluminio aggiunto a discapito del Berillio)


nD= 1,3892   vD= 100,2

fluoruro di Magnesio = 12%   fluoruro di Calcio = 15%   fluoruro di Stronzio = 8%   fluoruro di Bario = 10%
fluoruro di Lantanio = 10%   fluoruro di Alluminio = 28%   fluoruro di Berillio = 17%


nD= 1,3924   vD= 99,5

fluoruro di Magnesio = 13%   fluoruro di Calcio = 14%   fluoruro di Stronzio = 8%   fluoruro di Bario = 10%
fluoruro di Lantanio = 10%   fluoruro di Alluminio = 29,5%   fluoruro di Berillio = 15,5%


nD= 1,4021   vD= 95,3

fluoruro di Magnesio = 10,8%   fluoruro di Calcio = 11,7%   fluoruro di Stronzio = 7,2%   fluoruro di Bario = 9,9%
fluoruro di Lantanio = 4,5%   fluoruro di Cesio = 3,6%   fluoruro di Torio = 4,5%   solfato di Bario = 19,8%
cloruro di Sodio = 10%

(vetro molto particolare, che oltre alle "Fluoriti" di Magnesio, Calcio e Stronzio contiene fluoruri di materiali appartenenti
alla serie dei Lantanidi ed Attinidi, un po' di Barite - la stessa che funge da fondo nella carta baritata bianconero -
ed infine il 10% di...sale da cucina, con qualche prevedibile problema con la solubilità del composto...)


nD= 1,4267   vD= 82,3

fluoruro di Magnesio = 8,6%   fluoruro di Calcio = 10,3%   fluoruro di Stronzio = 6,9%   fluoruro di Bario = 7,7%
fluoruro di Piombo = 8,6%   Fluoruro di Lantanio = 7,7%   fluoruro di Alluminio = 14,6%   fluoruro di Berillio = 21,5%
anidride fosforica = 8,4%   ossido di Lantanio = 5,6%

(questo vetro è quello che si avvicina più alle versioni ED attuali, sacrificando la dispersione per ottenere
un indice di rifrazione superiore, ottenuto adottando fluoruro di Piombo e fluoruro ed ossido di Lantanio)



L'esperienza di Sun ed Huggins è stata fondamentale perchè ha creato di fatto i capitolati dei vetri ai fluoruri,
delineandone fin dal 1944 le colonne d'Ercole imposte dalla fisica; i due chimici hanno fornito un importante
contributo anche nella progettazione di vetri che fossero trasparenti ed inattaccabili dall'acqua e dalle aggressioni
proprie di un utilizzo in posizione esterna, preferendo fluoruri di metalli bivalenti (la cui solubilità sul peso del vetro
è inferiore allo 0.16%) o polivalenti (pressochè insolubili); anche la ricerca per ridurre al minimo la presenza di
fluoruro di Berillio è lodevole, tuttavia Sun ed Huggins non temevano tanto il fatto che fosse un veleno letale bensì
la sua evidente igroscopicità e solubilità: infatti il fluoruro di Berillio sarebbe un materiale perfetto: fonde perdendo
le caratteristiche cristalline originali, diventando esso stesso (senza aggiungere altri ingredienti) un vetro ottico omogeneo
e trasparente, con indice di rifrazione 1,28 e dispersione eccezionalmente bassa.... Sun ed Huggins hanno rimpiazzato
parzialmente il fluoruro di Berillio (comunque considerato "the chief glass forming component") con fluoruro di Alluminio,
contrastando così la sua solubilità; nei loro studi sistematici hanno anche rilevato che i fluoruri di Sodio, Potassio e Litio
sono particolarmente resistenti all'attacco degli agenti esterni, e vetri ai fluoruri realizzati con questi componenti sarebbero
idonei ad un impiego come elemento frontale.

Come vedete, siamo giunti solamente al Natale 1944 e la storia dei vetri ottici moderni è stata praticamente
riscritta: mentre noi restavamo stupiti per il vetro SF11 degli UR-Objektive nazisti (nD= 1,78   vD= 25,6) o per
il nuovo fluor-krown FK adottato nello Jena Sonnar 300mm f/4, dotato di vD= 70, i brevetti Eastman Kodak
erano anni luce più avanti, e per quanto riguarda i parametri di rifrazione e dispersione non c' è stato più nulla da
aggiungere o riscrivere fino ad oggi.

Dopo questa eloquente opera prima, Kuan-Han Sun e Maurice Huggins evolvettero la progettazione dei loro vetri a
bassa dispersione, partendo dai vetri ai fluoruri "puri", costituiti da una percentuale compresa fra 64 e 72% di fluoruri
in forma ionica, e progettando per Eastman Kodak una serie di
vetri ai fluoro-fosfati (aggiungendo fosfato di Alluminio
e fosfato di Berillio), per ottenere una dispersione superiore ai precedenti (ma sempre molto più contenuta rispetto ai
vetri standard) ed un indice di rifrazione più alto, al fine di semplificare i calcoli dei progettisti di obiettivi; questi vetri
ai fluoro-fosfati sono una classe molto in auge anche adesso, alla quale appartengono sia il classico vetro ED
PK-52A commerciale (nD= 1,497  nD= 81,6), ampiamente adottato da Brand come Nikon, Canon o Pentax, sia
gli speciali vetri adottati da Leitz nei suoi obiettivi APO-R, dall'Apo-Telyt 180/3,4 in poi; le versioni progettate da Sun
ed Huggins, presentate il 29 Gennaio 1946, sono molto simili come caratteristiche "di targa" ai moderni Schott FK-5
e PK-51A, ed anche in questo caso si tratta di un autentico ritorno al futuro; ecco la composizione di alcune versioni.

 


KUAN-HAN  SUN,  MAURICE  HUGGINS  PER  EASTMAN  KODAK  Co.  -  29/01/1946

 


nD= 1,5080   vD= 75,2

fluoruro di Litio = 15%   fluoruro di Calcio = 28%   fosfato di Alluminio = 57%


nD= 1,505   nD= 74,2

Fluoruro di Litio = 8%   fluoruro di Calcio = 24%   fluoruro di Bario = 20%   fosfato di Alluminio = 48%


nD= 1,4895   vD= 74,4

fluoruro di Litio = 15%   Fluoruro di Calcio = 30%   fosfato di Berillio = 55%


nD= 1,4873   vD= 73,9

fluoruro di Litio = 32%   fosfato di Alluminio = 68%


In questa serie di vetri sono state adottate le classiche Fluoriti di Calcio e Litio, abbinandole ad un fosfato;
alcuni vetri attuali appartenenti a questa categoria (specificamente lo Schott FK-5) trasmettono lo spettro
fino a lunghezze d'onda estremamente corte, verso l'ultravioletto (specificamente, l'FK-5 ha una trasmissione
del 40% a 280nm e del 7% a 270nm, quando molti vetri altamente rifrattivi partono da 350nm...); questa
caratteristica è probabilmente dovuta sia all'alta percentuale di fluoruri presenti (che trasmettono molto bene
le frequenze UV) sia alla semplice composizione (non vi sono ossidi di metalli pesanti, che di solito "filtrano"
l'UV, trattenendolo).




la tavola di Abbe del progetto originale con la posizione dei nuovi vetri ai fluoro-fosfati




Parallelamente e sempre per Eastman Kodak, Sun ed Huggins stavano evolvendo un'altra famiglia di materiali basati
sui fluoruri, ovverosia i vetri ai fluoro-borati; si tratta di un progetto molto interessante perchè copia il target originale
di Morey (ottenere il più favorevole rapporto fra alta o altissima rifrazione e bassa o medio/bassa dispersione) e persegue
gli identici obiettivi seguendo percorsi diversi ed autonomi: in pratica, su una base di ossido di Boro che funge da
"legante", Sun ed Huggins aggiunsero fluoruri per ottenere un elevato vD ed ossidi degli stessi metalli pesanti appartenente
alla serie dei Lantanidi e degli Attinidi già adottati da Morey; in parole povere, furono ottenuti gli stessi risultati
(cioè vetri con le caratteristiche di picco dei migliori LAK o LASF attuali) adottando una minore quantità di ossidi
metallici a favore del Boro, e sfruttando le proprietà dei fluoruri per ridurre la dispersione e fare le veci delle parti
di ossidi eliminate; questo nuovo progetto, presentato il 9 Febbraio 1946, descrive una miriade di vetri diversi, ed ho
selezionato venti campioni che saranno descritti a seguire.

 

KUAN-HAN  SUN,  MAURICE  HUGGINS  PER  EASTMAN  KODAK  Co.  -  09/02/1946

 

nD= 1,7199   vD= 56,6

fluoruro di Lantanio = 60%   ossido di Boro = 40%


nD= 1,7265   vD= 54,8

fluoruro di Calcio = 3%   ossido di Lantanio = 59%   ossido di Boro = 38%


nD= 1,711   vD= 56,5

fluoruro di Calcio 24%   ossido di Lantanio = 52%   ossido di Boro = 24%


nD= 1,6048   vD= 64,5

fluoruro di Calcio = 40%   ossido di Lantanio = 12%   ossido di Boro = 48%


nD= 1,6394   vD= 61,6

fluoruro di Calcio = 30%   ossido di Lantanio = 35%   ossido di Boro = 35%


nD= 1,7249   vD= 55,2

fluoruro di Lantanio = 12%   ossido di Lantanio = 54%   ossido di Boro = 34%


nD= 1,7143   vD= 56,8

fluoruro di Lantanio = 20%   ossido di Lantanio 40%   ossido di Boro = 40%


nD= 1,6079   vD= 64,0

fluoruro di Stronzio = 40%   ossido di Lantanio 7,5%   ossido di Boro = 52,5%


nD= 1,7501   vD= 54,2

fluoruro di Torio = 20%   ossido di Lantanio = 48%   ossido di Boro = 32%


nD= 1,636   vD= 60,0

fluoruro di Litio = 15%   ossido di Lantanio 50%   ossido di Boro = 35%


nD= 1,7302   vD= 55,7

fluoruro di Bario = 5%   ossido di Lantanio 58%   ossido di Boro = 37%


nD= 1,708   vD= 58,5

fluoruro di Bario = 19%   ossido di Lantanio = 50%   ossido di Boro = 31%


nD= 1,721   vD= 55,7

fluoruro di Calcio = 3,9%   fluoruro di Stronzio = 4,7%   fluoruro di Bario = 6,5%
ossido di Lantanio = 26,3%   ossido di Torio = 29,4%   ossido di Boro = 29,2%


nD= 1,7076   vD= 56,5

fluoruro di Calcio = 0,5%   fluoruro di Stronzio = 0,8%   fluoruro di Bario = 20,2%
ossido di Lantanio = 41,7%   ossido di Torio = 6,8%   ossido di Boro = 30%


nD= 1,680   vD= 59,0

fluoruro di Lantanio = 50%   ossido di Bario = 20%   ossido di Boro = 30%


(i vetri che seguono hanno caratteristiche di rifrazione più estreme e dispersione di conseguenza superiore,
anche se ai limiti fisici del possibile; pur avvicinandosi ai modelli più spinti di Morey ed Eberlin, non rinunciano
all'adozione di un fluoruro come veicolo per ottenere un vD elevato, differenziandosi da essi e connotando
questa scelta come una sorta di "firma" del chimico Kuan-han Sun)


nD= 1,8832   nD= 40,2

fluoruro di Lantanio = 26%   ossido di Lantanio = 16%   ossido di Torio = 16%
ossido di Tantalio = 27%   ossido di Boro = 15%


nD= 1,8535   vD= 43,6

fluoruro di Lantanio = 16%   ossido di Lantanio = 29%   ossido di Torio = 20%
ossido di Tantalio = 20%   ossido di Boro = 15%


nD= 1,9148   vD= 33,8

fluoruro di Torio = 20%   ossido di Lantanio = 42%   ossido di Niobio = 23%
ossido di Boro = 15%


(questi ultimi due tipi di vetro presenti nel progetto sono privi di fluoruri ed adottano
solo ossidi, avvicinandosi in questo ai progetti di Morey ed Eberlin)


nD=1,892   vD= 35,3

ossido di Torio = 19%   ossido di Lantanio = 42%   ossido di Niobio = 21%
ossido di Boro = 18%


nD= 1,8544   vD= 43,4

ossido di Torio = 17%   ossido di Lantanio = 46%   ossido di Tantalio = 20%
ossido di Boro = 17%


Questi vetri del 1946 sono oltre che moderni anche molto interessanti, perchè sfiorano i limiti tecnici
raggiungibili con i materiali "terrestri" seguendo percorsi originali, come l'adozione di un fluoruro
in sostituzione di ossidi di metalli pesanti per incrementare il numero di Abbe (dispersione ridotta);
inoltre, negli ultimi campioni ad altissima rifrazione, privi di fluoruri, è stato introdotto da Sun anche
l'ossido di Niobio, riconosciuto come efficace ma non utilizzato dai progettisti precedenti forse
per difficoltà relative alla raffinazione o al costo (va detto che questo progetto viene oltre 10 anni
dopo quello originale di George W. Morey)





la tavola di Abbe ricavata dal progetto originale di Sun relativo ai vetri ai fluoro-borati
progettati per Kodak e divulgati nel Febbraio 1946


Tirando le fila di quanto esposto si può senz'altro affermare che A) la Eastman Kodak Co. di Rochester
per mezzo dei suoi chimici poteva vantare già prima della fine del Secondo Conflitto vetri con caratteristiche
che eguagliano quelli attuali, senza eccezione, dal punto di vista dei parametri ottici (rifrazione, dispersione,
dispersione anomala dello spettro secondario); B) le proprietà delle cosiddette terre rare erano già ben note
ed i suoi composti ampiamente adottati nei progetti dell'epoca, senza dover attendere i famosi anni '50;
C) contrariamente a quanto accettato dal senso comune, la VERA EVOLUZIONE DEL VETRO OTTICO
dalla WWII ai giorni nostri non ha riguardato l'aumento ed il miglioramento delle caratteristiche ottiche bensì
di quelle fisiche, modificando le proporzioni ed aggiungendo piccole quantità di altri elementi per rendere il
vetro più omogeneo, trasparente, facile da stampare e/o lucidare in forme definite, resistente all'acqua e agli
acidi, stabile nel tempo, realizzato con materiali non tossici o inquinanti e più economico da ottenere
; ad esempio,
Paul de Paolis, un'altro chimico che operava per conto della Eastman Kodak, il 24 Novembre 1954 presentò
un'evoluzione del famoso vetro già presentato a metà anni '30 da Morey ed Eberlin, e caratterizzato dai valori
estremi nD= 1,898  vD=39,6; questo vetro si era rivelato estremamente difficile da lavorare e non era possibile
ottenere sbozzi più spessi di due centimetri; De Paolis scoprì per via sperimentale che l'ossido di Bario e l'ossido
di Tungsteno, aggiunti al vetro un po' separatamente ed un po' sotto forma di tungstato di Bario, miglioravano
le caratteristiche del prodotto finito, rendendolo molto più adatto alla lucidatura, resistente all'alterazione, non
soggetto a de-vetrificarsi durante le fasi di lavorazione, insensibile alle intemperie e trasformabile in sbozzi di
adeguato spessore, il tutto portando anche il numero di Abbe a 41,0; fino a quel momento tutti gli additivi
"stabilizzanti" additivabili al vetro in fase di fusione comportavano una riduzione della rifrazione o del numero
di Abbe, mentre i nuovi materiali aggiunti da De Paolis non causavano questo inconveniente; ecco le
caratteristiche e la composizione dei due nuovi vetri formulati in questo modo.



PAUL  DE  PAOLIS  FOR  EASTMAN  KODAK Co.  -  24/11/1954

 

nD= 1,890   vD= 41,0

ossido di Lantanio = 28%   ossido di Torio = 25,5%   ossido di Tantalio = 20%   ossido di Boro = 21,5%
ossido di Bario = 3%   tungstato di Bario = 2%


nD= 1,8434   vD= 43,2

ossido di Lantanio = 28,2%   ossido di Torio = 25,5%   ossido di Tantalio = 20,1%   ossido di Boro = 20,9%
ossido di Bario = 3,2%   tungstato di Bario = 2,1%

 

Un'altra questione molto gettonata è sempre stata quella relativa all'utilizzo dell'ossido di Torio radioattivo,
i suoi danni collaterali per il vetro, l'effetto delle radiazioni sull'uomo e la sua asserita scomparsa dai vetri
ottici a partire da un determinato periodo; anche in questo caso è molto diffusa la leggenda metropolitana
secondo la quale l'ossido di Torio sarebbe stato brutalmente sostituito dall'ossido di Lantanio a partire dai
primi anni '50, con l'avvento di vetri come l'LAK9; in realtà gli scienziati del vetro ottico erano molto "affezionati"
a questo materiale, le cui caratteristiche "ideali" miglioravano i parametri di rifrazione e dispersione garantendo
in ogni caso un vetro trasparente, fluido e facilmente lavorabile: fatto sta che gli "addetti ai lavori" continuarono
tranquillamente ad utilizzare l'ossido di Torio nei loro progetti ben oltre quella data, e non è detto che in molti
obiettivi di modernariato risultati radioattivi la causa sia la sempre possibile contaminazione del Lantanio con
Torio (nella Monazite  l'ossido di Torio costituisce il 12% in peso del minerale), quando invece sussiste
la possibilità che il vetro adottato fosse additivato con Torio all'origine, volutamente, anche in tempi moderni.

In realtà la Leitz Wetzlar ha sempre e giustamente rivendicato e sbandierato la paternità dell'LAK9, descrivendolo
come il primo vetro ad alta rifrazione/bassa dispersione privo di Torio radioattivo, e questo ha forse diffuso la
convinzione che da allora tutti i vetri ottici ne fossero esenti, il che, alla luce delle testimonianze che seguiranno,
non è assolutamente garantito... Fra l'altro, il progetto Leitz per l'LAK9 (nD= 1,69  vD= 54,7) non era certo
una primizia: anche escludendo i brevetti americani (ed anche inglesi), come visto relativi a vetri di un altro pianeta,
anche in Germania la vetreria Schott di Mainz - nello stesso momento - aveva elaborato una serie di vetri con
caratteristiche quasi identiche all'LAK9 e totalmente privi di Torio; il progetto era stato portato a termine da
Walter Geffcken e Gerd Rehs e presentato il 9 Maggio 1952; i vetri ivi descritti si basavano essenzialmente su
ossidi di Lantanio, Boro, Zirconio e Calcio, con aggiunte sporadiche di altri materiali (ossidi di Magnesio, Bario,
Stronzio, Cadmio, Zinco e Tantalio), con la categorica ed esplicita esclusione dell'ossido di Torio e di quello di
Berillio (troppo velenoso); ecco lo schema riassuntivo ricavato dal progetto originale.


i vetri ottici progettati nel 1952 da Geffcken e Rehs per la Jenaer Glaswerk
Schott & Gen. di Mainz, coevi all'LAK9 e simili come relazione nD/vD,
il che rivela come anche la Schott fosse al passo coi tempi rispetto alla vetreria
Leitz di Wetzlar...

 

Tornando all'ossido di Torio, anche dopo l'avvento di questi vetri al Lantanio che ne erano privi, intorno al 1953,
continuarono ad essere progettate nuove mescole che prevedevano questo materiale radioattivo; ad esempio, nel
progetto tedesco di Johannes Loeffler del 1954 era presente un vetro al Lantanio con indice di rifrazione nD= 1,75
e numero di Abbe vD= 50 che comprendeva, oltre al 45% di ossido di Lantanio, ben il 15% di ossido di Torio, e
per buona misura anche il 2,1% di velenosissimo ossido di Berillio; nel 1957 il progettista più qualificato della Schott
di Mainz, Walter Geffcken, ideò assieme alla dottoressa Marga Faulstich una gamma di vetri con avanzate
caratteristiche ottiche, e sebbene uno degli obiettivi del progetto fosse quello di concepire materiali destinati alla
produzione di massa e privi dei componenti pericolosi come ossido di Berillio ed ossido di Torio, quest'ultimo era
comunque presente nella maggior parte dei campioni presentati, ed in quantità spaventose (ad esempio, 27%)....
Ecco alcuni schemi con le caratteristiche dei vetri contenuti in questo progetto di fine anni '50; ho evidenziato in
rosso la colonna relativa all'ossido di Torio.


 

Nel 1962 la stessa dottoressa Marga Faustlicht, sempre per la Jenaer Glaswerk Schott und Genoessen di Mainz,
progettò un vetro con indice di rifrazione estremamente elevato, superiore a 2,00; anche in questo caso nella serie
di ossidi previsti è contemplato quello di Torio, ed in quantità direi spaventose: come altro definire un 45% ?
Ecco le caratteristiche e la composizione di questo vetro.



MARGA  FAUSTLICHT  FOR  SCHOTT & GENOESSEN  MAINZ  -  13/08/1962


nD= 2,0030   vD = 32,98

ossido di Torio = 45%   ossido di Tantalio = 20,4%   ossido di Lantanio = 12,2%   ossido di Niobio = 10,2%
ossido di Boro = 11,2%

Per descrivere l'ingente quantità di ossidi di metalli pesanti presenti in questo vetro faccio presente che il suo
peso specifico è 6,64 mentre quello della sabbia silicea alla base di quello comune è solamente 2,58...
Probabilmente l'ingente quantità di ossido di Torio si rendeva necessaria per garantire le caratteristiche fisiche
del vetro ottico in presenza di una tale quantità di ossidi e senza l'adozione di stabilizzanti, che avrebbero
impedito di ottenere un nD così elevato, ma non vorrei certo annoverare questo materiale fra quelli che
compongono qualche mio obiettivo! Faccio anche notare che ci troviamo ancora sulla stessa corda del
progetto di Morey del 1935: nulla è stato creato o aggiunto di nuovo ai concetti da lui espressi, e siamo già
nel 1962.

Spicchiamo un balzo temporale di dieci anni, ed atterriamo al 29 Gennaio 1971 quando un soddisfattissimo
Edgar J. Greco, chimico della Kodak Eastman Co. di Rochester, presenta il progetto per vetri ad altissima
rifrazione e bassa dispersione; siamo già negli anni '70 ed un rassicurante senso di tranquillità ci pervade: anche
se si tratta di vetri abbastanza estremi, ormai l'impiego di materiali pericolosi o radioattivi è anni luce dietro le
spalle: insomma, ci rilassiamo, e facciamo male... Infatti, scorrendo i componenti dei vari modelli di vetro,
l'ossido di Torio c'è eccome, ed in quantità direi ingenti, comprese fra 23 e 32%! Occorre quindi dedurre che,
anche se all'epoca era possibile realizzare vetri simili senza l'ossido di Torio, quest'ultimo restava una sirena
tentatrice per i progettisti, dal momento che risolveva molti problemi sia in fase di fusione che in quella di
raffreddamento controllato che in quella - importantissima dal punto di vista industriale - di lavorazione finale,
e c'era ancora chi preferiva adottarlo per "andare tranquillo" e non avere brutte sorprese a posteriori;
ecco lo schema riassuntivo estratto dal progetto di Greco: notare i quantitativi di ossido di Torio previsti.


EDGAR  J.  GRECO  FOR  EASTMAN  KODAK  Co.  -  29/01/1971

 

i vetri di Greco per Kodak del 1971 hanno un eccellente rapporto fra altissima rifrazione (1,91 - 1,97) e
dispersione sufficientemente contenuta (vD= 31,9 - 38,2) ma il progettista ha scelto di adottare il "vecchio
amico" ossido di Torio per migliorare il flusso produttivo grazie alle sue caratteristiche fluidificanti e stabilizzanti;
peccato che....

 

Per quanto concerne invece l'evoluzione dei vetri ai fluoruri di Sun, c'è da dire che furono un colpo letale a freddo
per tutti gli altri progettisti, dal momento che il progettista Kodak aveva scandagliato tutte le possibilità concessa
dalla tabella periodica degli elementi, brevettando i risultati; un passo avanti fu compiuto solo decine di anni dopo
dai francesi Marchel e Michel Poulain, quando scoprirono i tetrafluoruro di Zirconio e le relative applicazioni in
ottica; questi chimici francesi furono in frontiera nell'evoluzione dei vetri ai fluoruri, e la loro attenzione si concentrò
sui limiti del progetto di Sun, basato spesso sul fluoruro di Berillio, considerato molto costoso, instabile fisicamente
ed estremamente tossico; i due (fratelli?) Poulain diedero vita nel 1986, assieme a Gwenael Maze, ad un progetto
per una nuova generazione di vetri ai fluoruri finalmente liberi da fluoruro di Berillio; purtroppo uno dei sostituti
designati altro non è che TETRAFLUORURO DI URANIO, in dosi comprese fra il 30% ed il 50% (con eventuale
presenza aggiuntiva di fluoruro di Torio), il che costituirebbe - dal punto di vista di un ipotetico fruitore - un passaggio
dalla padella alla brace...

Per concludere questa mia ormai troppo lunga dissertazione, voglio spendere due parole sul tipico effetto collaterale
dell'ossido di Torio, il famoso viraggio delle lenti che, in qualche decina di anni, passano dalla trasparenza ad un colore
marroncino miele, uno dei più classici indicatori di radioattività e della presenza di quel materiale; molti appassionati si
sono chiesti la ragione di tale mutazione, ed approfittando della mia competenza principale (la geologia), vorrei spiegare
che tale fenomeno ha luogo anche in natura, e viene definito TRASFORMAZIONE  METAMITTICA; con questa
definizione vengono descritte tutte le mutazioni distruttive nella struttura cristallina di un minerale dovute all'azione di
un elemento radioattivo in esso contenuto, come Uranio e Torio, da parte delle particelle alfa emesse dagli stessi o
dalla somma delle emissioni radianti prodotte da isotopi figli generati nel tempo in stadio più eccitato (com'è il caso
del Tallio-208 per il Torio); nel caso dei minerali la struttura cristallina birifrangente viene distrutta e resa amorfa
dall'azione radioattiva, ed esiste addirittura la classe dei minerali metamittici che comprende tutti quelli che hanno
subito un'alterazione distruttiva da parte delle emissioni radioattive; nel caso del vetro ottico, per sua natura già
amorfo e monorifrangente, queste modificazioni non cambiano le caratteristiche ottiche e l'unica variazione percettibile
è - appunto - il famoso viraggio color thè, probabilmente dovuto all'alterazione di qualche ossido metallico o di
qualche altro ingrediente del vetro stesso, ed il blend regredisce anche integralmente dopo un "bleaching" messo
in atto con massicce dosi di UV, vuoi per prolungata esposizione solare diretta che sotto lampade specifiche.

La stessa Monazite originale è un minerale metamittico, e presenta anch'essa delle alterazioni dovute all'ossido di
Torio in essa contenuto (pari al 12% in peso): per cui, a seconda del degrado dovuto alle radiazioni, il colore
può passare dal giallo al bruno rossiccio, e la lucentezza (per distruzione della struttura cristallina) da vitrea a
resinosa a cerosa.

Spero che questo viaggio alle autentiche origini dei vetri moderni non sia stato troppo vertiginoso; quanto
presentato in questa sede ha brutalmente retrodatato l'origine delle moderne tecnologie del vetro come
tuttora le intendiamo, evidenziando come la conoscenza e l'impiego dei materiali fosse già ad uno stadio
maturo nel decennio sfumato al termine della Seconda Guerra Mondiale, e che gli anni a venire sono serviti
soprattutto per "aggiustare" il tiro, migliorando il prodotto dal punto di vista fisico e semplificando con
opportune correzioni la catena produttiva, senza tuttavia implementare i parametri strettamente ottici, dal
momento che i limiti fisici consentiti dai materiali erano già stati ampiamente esplorati; vorrei anche riordinare
la ridda di ipotesi sull'eliminazione del Torio dai vetri: questo materiale ha continuato ad essere impiegato
fino agli anni '70, accettando in modo anche troppo disinvolto la sua radioattività di partenza (comunque
blanda) e soprattutto ignorando o sottovalutando le trasformazioni metamittiche introdotte a breve-medio
termine nel vetro ed il rapido decadimento verso isotopi molto più eccitati ed aggressivi; sicuramente i paletti
rappresentati dai numerosi brevetti-chiave registrati fra il 1936 ed il 1946 a nome di Eastman Kodak hanno
tarpato le ali ai "vetrai" tedeschi, impedendo loro di mettere a catalogo modelli ben più moderni di quelli
sfoggiati al tempo, e d'altro canto i Brand americani non hanno mai sfruttato a fondo il potenziale garantito
da questi vetri straordinari, forse per un approccio "classico" alla progettazione, non abituata ad appoggiarsi
su materiali "magici" o forse perchè, in definitiva, certe versioni faticavano a transumanare nel mondo reale
per i costi dei materiali, le difficoltà di produzione e le scarse caratteristiche fisiche e meccaniche esibite:
proprio in questa chiave va letto il senso del progresso di questi ultimi 60 anni: a parità di rifrazione e
dispersione i materiali sono più economici, stabili e facilmente lavorabili; infatti, anche le versioni più spinte
sono ampiamente adottate nella produzione di massa, anche negli obiettivi che voi stessi utilizzate ogni giorno.

Una volta, molti anni fa,  scrissi una specie di sproloquio apologetico al vetro, il quale - siccome domina a
suo piacimento la luce solare, unica forma di energia attiva e priva di costo che abbiamo sulla Terra - andava
pertanto considerato il vero dio; naturalmente bestemmiavo, però... non è forse un'invenzione meravigliosa?

(Marco Cavina)



UPGRADING  10/01/2008




Lo confesso: avevo già il materiale "grezzo" per quest'aggiornamento al momento in cui scrissi il pezzo
principale, ma da un lato il "malloppo" era già molto consistente e dall'altro ero ansioso di condividerlo,
per cui aggiungo solo adesso questo gustoso addendum.

Uno degli esempi pratici più lampanti dai quali si può visualizzare il progresso tecnico dei vetri ottici
applicato alla produzione è rappresentato dai doppietti acromatici, cioè la coppia di lenti abbinate che
interagiscono grazie ad antitetiche caratteristiche di rifrazione e dispersione (entrambe basse nel primo
elemento, entrambe alte nel secondo); uno studio davvero esaustivo sull'argomento è stato condotto e
terminato nel 1986 da Romeo Mercado per conto della Lockheed Missiles & Space Company di
Sunnyvale, California, le cui valutazioni mostrano la superiore correzione cromatica dei doppietti 
realizzati con vetri moderni, sia per ampiezza spettrale sia per entità dell'aberrazione; ecco alcuni esempi
ricavati dagli studi di Mercado, partendo dalla "prior art" rappresentata dal doppietto acromatico "classico",
realizzato con vetri di vecchia concezione.




il doppietto acromatico classico: anche nel semplice intervallo di acromatizzazione
standard lo spostamento di fuoco è molto sensibile, soprattutto a causa del vetro
Krown - nella fattispecie un classico e semplice BK7 - il cui numero di Abbe è
troppo ridotto




l'adozione di moderni vetri ai fluoruri i ai fluoro-fosfati abbatte drasticamente l'aberrazione cromatica
ed estende la correzione fino all'infrarosso



in questi gruppi collati multipli il vetro antagonista del Krown ai fluoruri non è nemmeno un
Flint ad alta rifrazione, e la correzione è comunque molto soddisfacente

 

Nell'alveo di questa evoluzione voglio aggiungere alcune "pillole" che descrivono il metodo
curioso con cui vengono ricavati i vetri colorati in pasta con cui si realizzano le imitazioni di
rubini e smeraldi e la particolare procedura con cui la Nippon Kogaku  ha concepito e
 realizzato i vetri per i suoi famosi filtri UV del tipo L1BC ed L37C.

Realizzare vetri caratterizzati da un colore acceso mantenendo una perfetta trasparenza, adeguate
proprietà ottiche, insensibilità alla prolungata esposizione solare e stabilità nel tempo è un cimento
molto più difficile di quanto si immagini: non basta, infatti, aggiungere agli ingredienti base un qualsiasi
colorante: alle temperature di fusione raggiunte dall'impasto (sovente superiori ai 1.300°C) qualsiasi
di questi additivi generici degraderebbe perdendo la colorazione iniziale; il già citato Johannes Loeffler,
ad inizio anni '50, ideò due vetri colorati che potevano imitare grossolanamente rubini e smeraldi, dal
momento che erano caratterizzati da una vistosa tinta rossa o verde; per ottenere questi "vetri da
bigiotteria", il progettista ha previsto di utilizzare i seguenti elementi base:

sabbia silicea = 24,5%
ossido di Alluminio = 11%
ossido di Piombo = 10%
ossido di Potassio = 0,5%

alla base silicea viene aggiunto ossido di Alluminio e Piombo per aumentare la rifrazione ed incrementare
anche la dispersione in modo drastico, ottenendo così - nella gemma tagliata - i classici riflessi "scattering"
delle pietre dure; e per garantire una colorazione brillante e duratura? E' più sofisticato di quanto si immagini,
dal momento che occorre un'aggiunta massiccia di ossidi metallici pesanti e costosi; in particolare:

per colore rosso = ossido di Neodimio 54%

per colore verde = ossido di Presodinio 54%

Viste le quantità di preziose terre rare adottate, viene da pensare che anche il prezzo dell'imitazione non
sia poi così trascurabile....


Altrettanto interessante possiamo considerare il lavoro di Masao Ohno e Katsumi Kijima realizzato nel
1968 per la Nippon Kogaku e che sta alla base del vetro utilizzato per i celebri filtri UV Nikon appartenenti
alla serie L1BC ed L37C: in questo caso il responsabile della leggera colorazione rosata che taglia gli UV
fino ad una lunghezza d'onda prefissata è l'ossido di Cerio e l'Oro: si, proprio Oro puro, aggiunto in quantità
nell'ordine di 0,1g per chilo di vetro!  Ohno e Kijima analizzarono i filtri UV e Skylight presenti all'epoca sul
mercato, prendendo atto che la colorazione veniva realizzata grazie all'aggiunta di Selenio; tuttavia i filtri così
realizzati avevano un picco di assorbimento intorno ai 500nm e tagliavano le basse frequenze fino a 350nm,
fornendo una resa cromatica alterata che causava leggere dominanti nelle foto; inoltre il procedimento di
colorazione col Selenio richiede un controllo critico di molti parametri, compresa la stessa atmosfera sopra al
crogiolo, e non garantisce la perfetta ripetibilità dei risultati; il nuovo vetro messo a punto per la Nippon Kogaku
si basava su una matrice di sabbia silicea (biossido di Silicio) con percentuale in peso non inferiore al 43%
(per non pregiudicare le resistenza meccanica e chimica) e non superiore al 73% (pena la perdita delle caratteristiche
tipiche del vetro); a questa base andava aggiunto acido borico (sempre per incrementare la resistenza chimica del
composto), senza eccedere dal 6% o questo avrebbe colorato il vetro in modo indesiderato; con le stesse
finalità si aggiungeva anche ossido di Alluminio, contenuto entro il 3% (sempre per evitare blend cromatici);
una ulteriore addizione di ossido di Rubelio migliorava la fusibilità, mentre l'incarico di taglia-banda per gli UV
era assegnato all'accoppiata ossido di Piombo + ossido di Cerio, dotati anche di proprietà de-gasanti per il
vetro in fase di raffreddamento; un'aggiunta di ossidi d'Antimonio o Bismuto contribuiva a de-gasare perfettamente
l'impasto, mentre il famoso Oro era responsabile del controllo sulla trasmissione spettrale generale, garantendo
un picco di assorbimento nella più opportuna frequenza di 550nm ed una resa cromatica neutra.




la trasmissione spettrale dei vetri Nikon adottati nei filtri UV e Skylight della casa
nello schema allegato al progetto originale del 1968: i filtri della "prior art" tagliavano
troppo gli UV ed avevano un picco di assorbimento attorno ai 500nm, causando una
certa dominante (esempio 3), mentre i filtri Nikon presentavano un andamento molto
simile alla corrispondente gelatina Kodak Wratten, considerata il punto di riferimento
del settore ma penalizzata dalle caratteristiche meccaniche

 

In pratica, per realizzare il vetro che sarebbe poi diventato un Nikon L1BC occorreva:


sabbia silicea = 52,5%
acido borico = 0,5%
ossido di Alluminio = 0,5%
ossido di Sodio = 0,5%
ossido di Potassio = 13%
ossido di Calcio = 0,5%
ossido di Piombo = 32%
ossido di Antimonio = 0,5%
ossido di Stagno = 0,5%
ossido di Cerio = 4%
Oro = 0,01%

(attenzione! le misure sono espresse in peso, non in moli)

Naturalmente la tipica colorazione permanente che garantisce il taglio degli UV ed una resa cromatica
neutra non si ottiene semplicemente realizzando un vetro con questi ingredienti seguendo le procedure
standard: in questo caso sono molto importanti i tempi di raffreddamento e soprattutto la ri-cottura del
vetro, e basta una piccola alterazione del protocollo per ottenere colori sballati (violetto o giallo arancio);
le specifiche prevedono di fondere l'impasto fra 1.350 e 1.500° C, raffreddandolo poi lentamente fino
a temperatura ambiente con una progressione di appena 10° C/ora - 25° C/ora; affinchè gli elementi
colorino il vetro secondo le aspettative è poi necessaria una seconda ricottura, portando il vetro ad
una temperatura di 530 - 550° C per un tempo compreso indicativamente fra 10 e 50 ore: solo a queste
condizioni l'Oro presente nell'impasto stabilizzerà il blend del vetro garantendo l'opportuno picco di
assorbimento a 550nm... Alla luce di quanto sopra, quando procederemo all'acquisto di un costoso
filtro UV originale Nikon, troveremo qualche giustificazione in più al prezzo di listino: nemmeno io
immaginavo che fosse tanto complesso realizzare questo semplice accessorio!

Infine, tornando a materiali pericolosi o tossici come Berillio e Torio, per le applicazioni civili standard
il loro impiego è cessato con l'avvento degli anni '70, ma per impieghi specialistici o militari non si
andava tanto per il sottile, com'è dimostrato da un progetto di Paul Tick per la vetreria Corning, New
York realizzato nel 1986 su incarico della Marina degli Stati Uniti, come da relativo contratto prioritario
n° N00014-82-C-2314; questa serie di fluoro-beryllate glasses presenta eccezionali caratteristiche
come rifrazione molto bassa, dispersione ridottissima, coefficienti di rifrazione non lineari ed estesa
trasmissione spettrale sia negli infrarossi che negli ultravioletti, dove supera persino le caratteristiche 
del Quarzo, trovando impiego in settori speciali come le ottiche per laser od optical waveguides.

Il prezzo da pagare è questo:




come potete vedere, il "vetro", se così si può chiamare, è costituito interamente
da fluoruro di Berillio e Fluoruro di Torio: cosa preferite fra i due?....




le caratteristiche di assorbimento spettrale del tipo di vetro appena
descritto; "spettrale" è un aggettivo appropriato, soprattutto per chi
dovesse stare per un po' di tempo a contatto con questo materiale...

 



l'assorbimento del vetro ai fluoruri di Torio e Berillio
quando viene drogato con l'aggiunta di Erbio

 



la stessa scala col vetro drogato da ioni Ferro


Si tratta certamente di un vetro dalle caratteristiche eccezionali, ma avrei davvero molte
remore se fosse stato (o venisse tuttora) utilizzato a diretto contatto col personale....




FINE  UPGRADING  10/01/2008


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