Estructura molecular del vidrio

Tipos de vidrio

Quizá aprendió en clase de física que el vidrio es un material compuesto principalmente por silicio y oxígeno o, si quiere ponerse friki, SiO2. Pero, ¿qué significa eso realmente? Y, lo que es más importante, ¿qué aspecto tendría? Un diseñador japonés ha recreado la estructura molecular no cristalina (amorfa) del vidrio con 5.000 trozos de vidrio suspendidos en el aire en un modelo mil millones de veces mayor que su tamaño real.

La instalación se titula "Amorphous", y hace referencia al proceso de templado del vidrio. En esencia, cuando una sustancia sólida se calienta y luego se enfría bruscamente, no se permite que las moléculas se organicen en una estructura cristalina, creando así la sustancia lisa y transparente que conocemos como vidrio. En un intento increíblemente meta de representar el vidrio utilizando vidrio, la firma de diseño japonesa Nosigner ha colaborado con el fabricante japonés de vidrio Asahi Glass para crear esta instalación en la Semana del Diseño de Milán de este año.

"El vidrio es un material con el que nos cruzamos todos los días", afirma la empresa. "La instalación revela el increíblemente rico y complejo microcosmos del interior del vidrio utilizando la última tecnología del vidrio". Se refieren a su vidrio reforzado químicamente, que es más resistente y ligero que el vidrio convencional y se utiliza a menudo para cubiertas de smartphones y tabletas. "Cada ángulo revela un matiz diferente, y cada superficie refleja maravillosamente la luz.

Comentarios

Estructura amorfa de sílice vítrea (SiO2) en dos dimensiones. No existe orden de largo alcance, aunque sí orden local con respecto a la disposición tetraédrica de los átomos de oxígeno (O) alrededor de los átomos de silicio (Si).

Desde el punto de vista microscópico, un monocristal tiene átomos en una disposición periódica casi perfecta; un policristal está compuesto de muchos cristales microscópicos; y un sólido amorfo como el vidrio no tiene ninguna disposición periódica ni siquiera microscópicamente.

La definición estándar de vidrio (o sólido vítreo) es la de un sólido formado por enfriamiento rápido de la fusión[1][2][3][4]. Sin embargo, el término "vidrio" se define a menudo en un sentido más amplio, para describir cualquier sólido no cristalino (amorfo) que presenta una transición vítrea cuando se calienta hacia el estado líquido[4][5].

El vidrio es un sólido amorfo. Aunque la estructura a escala atómica del vidrio comparte características de la estructura de un líquido sobreenfriado, el vidrio presenta todas las propiedades mecánicas de un sólido[6][7][8] Como en otros sólidos amorfos, la estructura atómica de un vidrio carece de la periodicidad de largo alcance observada en los sólidos cristalinos. Debido a las limitaciones de los enlaces químicos, los vidrios poseen un alto grado de orden de corto alcance con respecto a los poliedros atómicos locales[9] La noción de que el vidrio fluye en una medida apreciable durante largos períodos de tiempo no está respaldada por la investigación empírica o el análisis teórico (véase la viscosidad en los sólidos). Aunque en el vidrio puede medirse una viscosidad material del orden de 1017-1018 Pa s, un valor tan elevado refuerza el hecho de que el vidrio no cambiaría de forma apreciablemente ni siquiera durante largos periodos de tiempo[5][10].

Vidrio templado

En un artículo fundamental publicado en 1932 en The Journal of the American Chemical Society, el físico William H. Zachariasen propuso por primera vez que el vidrio estaba compuesto por redes tridimensionales aleatorias de átomos alternos de silicio y oxígeno unidos en largas cadenas reticuladas.

Su teoría era que la red carecía de la simetría rotacional y la periodicidad traslacional de una estructura cristalina. ¿Pero cómo sabían Zachariasen o sus colegas que su idea radical era básicamente correcta?

La primera prueba importante que corroboró la hipótesis de Zachariasen fue la aplicación de los estudios de difracción de rayos X. Cuando la luz de rayos X incide sobre una estructura cristalina, la red carece de simetría de rotación y periodicidad de traslación. Cuando se proyecta luz de rayos X sobre una sustancia, aparecen patrones brillantes como manchas en una placa fotográfica.

Sin embargo, la interpretación correcta llegó en 1934, cuando el físico B E Warren demostró matemáticamente que una red aleatoria, como la descrita por Zachariasen, podía explicar con precisión la intensidad y la posición de los débiles anillos anchos observados en la difracción de rayos X.

Hoy en día, el estudio de los vidrios mediante difracción de rayos X y neutrones ha madurado hasta convertirse en un campo vasto y activo, y estas técnicas nucleares se utilizan de forma rutinaria para extraer la llamada "función de distribución de pares" de los materiales desordenados, una medida de la distribución de huecos y espaciamientos entre átomos.

Usos del vidrio

El vidrio se ha convertido en algo tan común hoy en día que es fácil ver a través de él sin pensárselo dos veces. Está en nuestras ventanas, en nuestras pantallas, en nuestros armarios y en muchos de los dispositivos con los que interactuamos a diario. Aunque el vidrio se encuentra en todas partes, es posible que usted viva toda su vida sin saber mucho sobre cómo se fabrica o de qué está compuesto. Aunque crea que conoce lo básico, sólo ha rozado la superficie.

A grandes rasgos, el vidrio es arena fundida y transformada químicamente. Si alguna vez ha estado en la playa, sabrá exactamente lo caliente que puede llegar a estar la arena mientras permanece en estado sólido. El tipo de calor necesario para transformar la arena en estado líquido (convirtiéndola finalmente en vidrio) es mucho mayor que el de cualquier día soleado. Para que la arena se funda, hay que calentarla a unos 1.700 °C, que es aproximadamente la misma temperatura que alcanza un transbordador espacial al volver a entrar en la atmósfera terrestre.

La arena que se utiliza habitualmente para fabricar vidrio está compuesta por pequeños granos de cristales de cuarzo, formados por moléculas de dióxido de silicio, también conocido como sílice. Cuando esas moléculas se calientan a temperaturas suficientemente altas, la arena se funde y pierde su estructura cristalina, y al enfriarse adquiere una estructura totalmente diferente. Esa estructura, a nivel molecular, está a medio camino entre un líquido y un sólido. Este estado intermedio se conoce como sólido amorfo, lo que significa que tiene parte de la estructura cristalina de un sólido junto con la aleatoriedad molecular de un líquido.