Vidrio: ni sólido ni líquido, este material común pero complicado sigue sorprendiendo a los científicos

Profesor de Ciencia e Ingeniería de Materiales, Penn State

Candidato a doctorado en ciencia de materiales, Penn State

Los autores no trabajan, consultan, poseen acciones ni reciben financiación de ninguna empresa u organización que se beneficiaría de este artículo, y no han revelado afiliaciones relevantes más allá de su nombramiento académico.

Penn State proporciona financiación como socio fundador de The Conversation US.

Ver todos los socios

El vidrio es un material que tiene muchas caras: es a la vez antiguo y moderno, fuerte pero delicado, y capaz de adoptar casi cualquier forma o color. Estas propiedades del vidrio son la razón por la que la gente lo utiliza para fabricar de todo, desde pantallas de teléfonos inteligentes y cables de fibra óptica hasta viales que contienen vacunas.

La humanidad ha estado utilizando el vidrio de alguna manera durante milenios, y los investigadores todavía están encontrando nuevos usos para él en la actualidad. No es raro escuchar el hecho de que el vidrio es en realidad un líquido, no un sólido. Pero la realidad es mucho más interesante: el vidrio no encaja perfectamente en ninguna de esas categorías y, en muchos sentidos, es un estado de la materia en sí mismo. Como dos científicos de materiales que estudiamos el vidrio, intentamos constantemente mejorar nuestra comprensión de este material único y descubrir nuevas formas de utilizar el vidrio en el futuro.

La mejor manera de entender el vidrio es entender cómo se fabrica.

El primer paso para fabricar vidrio requiere calentar una mezcla de minerales (a menudo carbonato de sodio, piedra caliza y arena de cuarzo) hasta que se derritan en un líquido a alrededor de 2700 grados Fahrenheit (1480 grados Celsius). En este estado, los minerales fluyen libremente en el líquido y se mueven de forma desordenada. Si este líquido se enfría lo suficientemente rápido, en lugar de solidificarse en una estructura cristalina organizada como la mayoría de los sólidos, la mezcla se solidifica manteniendo la estructura desordenada. Es la estructura atómicamente desordenada la que define al vidrio.

En escalas de tiempo cortas, el vidrio se comporta de manera muy parecida a un sólido. Pero la estructura líquida del vidrio significa que, durante un período de tiempo suficientemente largo, el vidrio sufre un proceso llamado relajación. La relajación es un proceso continuo pero extremadamente lento en el que los átomos de un trozo de vidrio se reorganizan lentamente en una estructura más estable. Durante mil millones de años, una pieza típica de vidrio cambiará de forma en menos de 1 nanómetro (aproximadamente 1/70.000 del diámetro de un cabello humano). Debido al lento ritmo de cambio, el mito de que las ventanas viejas son más gruesas en la parte inferior debido a siglos de gravedad que tira del vidrio que fluye lentamente no es cierto.

Coloquialmente, la palabra vidrio a menudo se refiere a una sustancia dura, quebradiza y transparente hecha de arena, soda y cal fundidas. Sin embargo, hay muchos tipos de vidrio que no son transparentes y el vidrio se puede fabricar a partir de cualquier combinación de elementos siempre que la mezcla líquida pueda enfriarse lo suficientemente rápido como para evitar la cristalización.

Los humanos han estado usando vidrio durante más de 4.000 años, y algunos de los primeros usos fueron cuentas de vidrio decorativas y puntas de flecha. Los arqueólogos también han descubierto evidencia de talleres de vidrio de 2.000 años de antigüedad. Uno de esos antiguos talleres fue descubierto cerca de Haifa, en el Israel moderno, y data aproximadamente del año 350 d.C. Allí, los arqueólogos descubrieron piezas de vidrio en bruto, hornos para fundir vidrio, vasijas de vidrio utilitarias y restos de soplado de vidrio.

La fabricación moderna de vidrio comenzó a principios del siglo XX con el desarrollo de técnicas de producción en masa de botellas de vidrio y láminas de vidrio planas. El vidrio se convirtió en una parte esencial de la industria electrónica y de las telecomunicaciones a finales del siglo XX y ahora constituye la columna vertebral de Internet.

Hoy en día, los científicos van mucho más allá de simplemente utilizar el vidrio como material para una taza o un espejo. A la vanguardia de la investigación sobre el vidrio se encuentra la capacidad de manipular su compleja estructura atómica y su proceso de relajación para lograr ciertas propiedades.

Debido a que el vidrio está desordenado atómicamente y siempre cambia, es probable que dos puntos cualesquiera de un trozo de vidrio tengan propiedades ligeramente diferentes, ya sea resistencia, color, conductividad u otra cosa. Debido a estas diferencias, dos piezas de vidrio similares que se fabricaron de la misma manera y con los mismos materiales pueden comportarse de manera muy diferente.

Para predecir mejor cómo se comporta un trozo de vidrio, nuestro equipo ha estado investigando cómo cuantificar y manipular la estructura atómica caótica y en constante cambio del vidrio. Los avances recientes en este campo han tenido beneficios directos para las tecnologías existentes.

Por ejemplo, las pantallas de los teléfonos no se agrietan tan fácilmente como en 2014, en parte porque las nuevas técnicas de procesamiento reducen las diferencias en las fuerzas de los enlaces atómicos para dificultar la propagación de las grietas. De manera similar, las velocidades de Internet han mejorado enormemente en los últimos 20 años porque los investigadores han descubierto formas de hacer que la densidad del vidrio utilizado para las fibras ópticas sea más uniforme y, por lo tanto, más eficiente en la transmisión de datos.

Una comprensión más profunda de cómo manipular la estructura caótica y cambiante del vidrio podría conducir a grandes avances en la tecnología en los próximos años. Actualmente, los investigadores están trabajando en una variedad de proyectos, incluidas baterías de vidrio que podrían permitir velocidades de carga más rápidas y una mayor confiabilidad, turbinas eólicas de fibra de vidrio que requieren menos mantenimiento que las turbinas existentes y dispositivos de almacenamiento de memoria mejorados.