Es un sólido con algunas de las propiedades de un líquido, lo que plantea un gran misterio para los físicos que han formulado muchas teorías poco convincentes a lo largo del tiempo.
Si el vidrio no existiera, probablemente no estarías leyendo este artículo, no sólo porque forma la pantalla de tu dispositivo, sino también porque Internet funciona en gran medida gracias a las redes de fibra óptica, que son finas hebras de vidrio a través de las cuales pasan los datos. en forma de pulsos de luz. Al fin y al cabo, basta con mirar a nuestro alrededor para darnos cuenta de la cantidad de vidrio que hay en nuestras vidas, hasta el punto de que damos por sentada su presencia. La mayoría de la gente no piensa mucho en ello, excepto cuando tienen que reciclar algunas botellas o romper vidrios, con algunas excepciones: los vidrieros ciertamente, pero también los físicos. Para estos últimos, el vidrio es un misterio, o más bien un problema que aún debe resolverse.
Para quienes fabrican vidrio, la producción no es ningún misterio, también porque es un proceso que hemos perfeccionado durante miles de años. El más común y extendido es el vidrio sodocálcico, elaborado a partir de sílice derivada de arena y óxidos de calcio y sodio. Reduciendo la cantidad de estos dos últimos componentes y añadiendo trióxido de boro se obtiene vidrio de borosilicato, como el «pyrex», que tiene mayor resistencia a los cambios bruscos de temperatura y por ello se utiliza en cocina o en laboratorios. La mezcla de ingredientes se lleva a una temperatura alta en el horno, superior a 1800°C, y se obtiene un material fundido maleable y brillante que luego se cura para darle la forma deseada, en algunos casos mediante tecnología de soplado. A continuación se deja enfriar el producto resultante hasta que adquiere una solidez, al menos en apariencia.
De hecho, aprendemos en la escuela que el estado de asociación de las moléculas, o simplemente el “estado de la materia”, puede ser esencialmente de tres tipos: sólido, líquido y gaseoso (sumado a plasmaQue consta de gases ionizados). En general, la materia puede pasar por los tres estados y comportarse de manera muy diferente, según en qué estado se encuentre. A nivel microscópico, la diferencia se debe principalmente a la forma en que se mueven los átomos o moléculas: a medida que aumenta la temperatura, por ejemplo, se vuelven más activos y, por tanto, tienden a moverse más que a temperaturas muy bajas. Es este movimiento el que determina, junto con otros factores, el estado de la asamblea.
La sustancia puede evaporarse, pasando de un estado líquido a un estado gaseoso, como lo hace, por ejemplo, el agua calentada en una tetera. O la sustancia puede pasar de un estado sólido a un estado gaseoso sin pasar por un estado líquido, como lo hace un bloque de hielo seco a temperatura ambiente (en ambos casos es solo dióxido de carbono, de hecho, en diferentes estados).
Sin embargo, hay un punto en el que la sustancia parece tener propiedades tanto de sólido como de líquido al mismo tiempo. Es la “fase vítrea” en la que una sustancia tiene un comportamiento similar al de un sólido, pero su estructura es desordenada como la de un líquido. La naturaleza de la transición vítrea que regula este fenómeno se estudia desde hace algún tiempo, pero aún no se han encontrado respuestas satisfactorias. En términos más generales, todavía no se ha encontrado una explicación completa de los procesos que llevan al vidrio a adquirir las propiedades que conocemos y que, en última instancia, hacen que lo tratemos como un sólido sabiendo que también es otra cosa.
En muchos casos, los cambios de temperatura son los principales responsables de los cambios de condición. En un sistema, a medida que éste disminuye, los átomos o moléculas se mueven cada vez menos hasta que ya no pueden moverse sino sólo “vibrar”, permaneciendo en el mismo lugar. Esta ralentización de su movimiento puede tener diferentes efectos.
el En primer lugar Es un estado en el que los átomos se disponen de manera organizada, manteniendo una cierta distancia entre sí y siempre una disposición geométrica igual en el espacio. En este estado forman una “red cristalina” que, dependiendo de cómo estén fabricados, puede influir fuertemente en las propiedades del material. La forma en que los átomos de carbono se ordenan en función de los cambios de temperatura (y presión), por ejemplo, puede dar lugar a sólidos cristalinos con marcadas variaciones en su dureza, produciendo grafito o diamantes.
Ejemplo de red cristalina, izquierda, y estructura amorfa (Corneg)
El segundo es aquel en el que el cambio de estado se produce de forma más caótica: los átomos no se organizan en estructuras ordenadas y su movilidad se reduce mucho manteniendo una distribución similar a la que tenían en estado líquido. La materia se define bajo estas condiciones. informeEs decir, sin una forma concreta, a diferencia de la forma organizada de los sólidos cristalinos. Por tanto, el vidrio es un sólido amorfo y podemos definirlo, a grandes rasgos, como un estado intermedio entre sólido y líquido.
La mayoría de los sólidos son de naturaleza cristalina, por lo que, debido a la excepción que forman, los sólidos amorfos a veces se denominan «estado vítreo», pero no se trata sólo del vidrio en sí: cualquier sólido que contenga moléculas en estructuras no cristalinas, como diversos tipos de materiales Plástico o cerámico, técnicamente es vidrio.
Un líquido tiene la propiedad de moverse con relativa facilidad y adaptarse a lo que contiene, de forma muy parecida a como lo hace el agua dentro de una tubería, por ejemplo. Esta capacidad está relacionada con la viscosidad: cuanto más difícil les resulta a los átomos moverse, mayor es la viscosidad del fluido. En condiciones estándar de temperatura y presión, la viscosidad del agua es de 1 mPa ∙ s (es decir, un milPascal por segundo) y, por tanto, es muy baja. La miel, como bien sabe cualquiera que haya intentado untarla sobre una tostada sin romperla, tiene una viscosidad diez mil veces mayor que la del agua. A diferencia de este último, en igualdad de condiciones, los átomos de la miel pueden moverse fácilmente entre sí.
En el caso de sólidos amorfos es un orden de magnitud más grandealrededor de un billón (1015) con respecto a la viscosidad del agua. Lo sorprendente, o al menos completamente inexplicable, es cómo es posible que la estructura permanezca casi igual durante la transición de un líquido a un sólido amorfo, mientras la viscosidad aumenta tanto. Hasta donde sabemos, la materia que contiene átomos dispuestos en estructuras similares debería comportarse de la misma manera, pero no es así.
El hilo es ha sido discutido Desde hace algún tiempo, entre físicos y trabajadores de ingeniería de materiales, también ha dado lugar a un acalorado debate entre quienes afirman haber resuelto el problema y sus críticos. En los últimos 20 años se han logrado algunos avances gracias a algunas simulaciones por ordenador, que permiten recrear diferentes escenarios sobre la transición vítrea.
Por ejemplo, se ha demostrado que cuando el vidrio fundido se solidifica, las moléculas que lo componen no desaceleran de manera uniforme. En algunas zonas el proceso es muy rápido y hace que se comporte como en un sólido, y en otras zonas es más lento y continúa moviéndose como en un líquido. También en este caso, desde el punto de vista estructural, las distintas zonas tienen las mismas características. Es la peculiaridad de este fenómeno lo que lo hace así, como alguien dijo una vez tiempoQue hay «más teorías sobre la transición vítrea que el número de teóricos que las proponen».
Acabamos de terminar la larga lista de teorías. agregado Un estudio publicado en la revista científica. plátanos Fue creado por un grupo de investigación de la Universidad de California, Berkeley. Basándose en algunos experimentos y simulaciones por ordenador realizados anteriormente, se ha desarrollado la teoría de que las moléculas del vidrio cambian continuamente de forma, con movimientos muy locales. El grupo de investigación lo probó en un caso 2D a partir de sólidos cristalinos, pero creen que también pueden aplicarlo a un modelo 3D al descubrir lo que podría ser una etapa aún desconocida en la formación de sólidos amorfos.
Otro estudio publicado También este año, que se llevó a cabo en Alemania e Italia, se tuvieron en cuenta los datos sobre expansión térmica y transición vítrea recopilados de más de 200 materiales durante los últimos 100 años. El análisis permitió identificar otras variables, además del movimiento de los átomos, para evaluar al estudiar sólidos amorfos. En particular, descubrieron que a nivel microscópico, los átomos o moléculas de estos materiales no se mueven de forma independiente.
Cada año se añaden nuevas investigaciones sobre este tema que confirman estudios anteriores o sugieren teorías alternativas. Descubrir más sobre este fenómeno podría ser extremadamente útil, no sólo para comprender mejor cómo funciona el mundo y tal vez ganar un Premio Nobel, sino también para explotar nuevos conocimientos para desarrollar tecnologías innovadoras. En el campo médico, por ejemplo, algunos medicamentos pueden producirse como sólidos amorfos en lugar de en forma cristalina, para que sean más fáciles de administrar y absorber cuando entran en contacto con nuestro cuerpo.
(Imágenes falsas)
Mientras esperamos novedades, en medio de muchas incertidumbres, todavía no hay nada seguro sobre una de las cosas que escuchamos a menudo sobre el vidrio. Según la creencia popular, el vidrio catedralicio es más grueso en la base porque a lo largo de los siglos la fuerza de gravedad ha hecho que el vidrio, que no es completamente sólido, fluya hacia abajo gracias a su propio peso. De hecho, la viscosidad del vidrio hace imposible que ocurra una circunstancia similar en un tiempo puramente humano.
Uno de los estudios ha calculado A temperatura ambiente, se necesitarían cien mil billones de años para que esto sucediera, incluso teniendo en cuenta que la edad del universo se estima en 13,8 mil millones de años. El vidrio de las catedrales europeas más antiguas a veces tiene un fondo más grueso, simplemente por la forma en que fue elaborado, con técnicas que no permitían un espesor uniforme similar al espesor del vidrio que utilizamos en las ventanas modernas.
