Cinco misterios vítreos que aún no podemos explicar: desde vidrios metálicos hasta análogos inesperados

El mito que fluye

Mire a través de las vidrieras de cualquier iglesia medieval, y es casi seguro que verá una vista distorsionada. El efecto ha llevado durante mucho tiempo a científicos y no científicos a sospechar que, con el tiempo suficiente, el vidrio fluye como un líquido excepcionalmente viscoso. Pero, ¿hay alguna validez para esta afirmación?

La pregunta no es tan sencilla como podría parecer a primera vista. En verdad, nadie puede decir con precisión cuándo un líquido deja de ser líquido y pasa a ser un vaso. Convencionalmente, los físicos dicen que un líquido se ha convertido en vidrio cuando la relajación atómica, el tiempo que tarda un átomo o una molécula en moverse una parte significativa de su diámetro, es superior a 100 segundos. Esta tasa de relajación es de aproximadamente 10¹⁰ veces más lento que en miel líquida, y 10¹⁴ veces más lento que en el agua. Pero la elección de este umbral es arbitraria: no refleja ningún cambio claro en la física fundamental.

Aun así, una relajación de 100 segundos es definitiva para todos los propósitos humanos. A este ritmo, una pieza de vidrio de soda y cal común tardaría eones en fluir lentamente y convertirse en el dióxido de silicio cristalino más favorable desde el punto de vista energético, también conocido como cuarzo. Si las vidrieras de las iglesias medievales están deformadas, es más probable que sea el resultado de la mala técnica del vidriero original (según los estándares modernos). Por otro lado, nadie ha realizado un experimento de mil años para comprobarlo.

En busca del vaso “ideal”

A medida que un líquido se enfría, puede endurecerse en un vaso o cristalizar. Sin embargo, la temperatura a la que un líquido se convierte en vidrio no es fija. Si un líquido se puede enfriar tan lentamente que no forma un cristal, entonces el líquido finalmente pasará a un vidrio a una temperatura más baja y, como resultado, formará uno más denso. los químico estadounidense Walter Kauzmann notó este hecho a fines de la década de 1940 y lo usó para predecir la temperatura a la que se formaría un vidrio si un líquido se enfriara "en equilibrio", es decir, infinitamente lento. El “vidrio ideal” resultante tendría, paradójicamente, la misma entropía que un cristal, a pesar de seguir siendo amorfo o desordenado. Esencialmente, un vidrio ideal es donde las moléculas se empaquetan juntas en el arreglo aleatorio más denso posible.

En 2014 físicos, incluidos Giorgio Parisi de la Universidad Sapienza de Roma en Italia (quien compartió el Premio Nobel de Física 2021, por su trabajo sobre “la interacción del desorden y las fluctuaciones en los sistemas físicos”) elaboró ​​un diagrama de fase exacto para la formación de un vidrio ideal, en el (matemáticamente más fácil) límite de infinitas dimensiones espaciales. Por lo general, la densidad puede ser un parámetro de orden para distinguir diferentes estados, pero en el caso del vidrio y un líquido, la densidad es aproximadamente la misma. En cambio, los investigadores tuvieron que recurrir a una función de "superposición", que describe la similitud en las posiciones de las moléculas en diferentes configuraciones amorfas posibles, a la misma temperatura. Descubrieron que cuando la temperatura es menor que la temperatura de Kauzmann, el sistema tiende a caer en un estado distinto con una gran superposición: una fase de vidrio.

En tres dimensiones, o incluso en cualquier pequeño número finito de dimensiones, la teoría de la transición vítrea es menos segura. Algunos teóricos han intentado describirlo termodinámicamente, nuevamente utilizando el concepto de vidrio ideal. Otros creen que es un proceso "dinámico" en el que, a temperaturas progresivamente más bajas, más y más bolsas de moléculas se detienen, hasta que todo el volumen se vuelve más vidrio que no. Durante mucho tiempo, los defensores de los dos campos han estado en desacuerdo. En los últimos años, sin embargo, el teórico de la materia condensada arroz real en ESPCI París en Francia y sus colegas afirman haber demostrado cómo los dos enfoques pueden reconciliarse en gran medida (J. Chem. física 153 090901). “Mucha de la resistencia [al acuerdo] que vimos hace 20 años se ha perdido”, dice.

Dos caminos hacia un vaso mejor

Para cambiar las propiedades del vidrio, tiene dos opciones básicas: alterar su composición o alterar la forma en que se procesa. Por ejemplo, el uso de borosilicato en lugar de la sosa común y la cal hace que el vidrio sea menos propenso al estrés cuando se calienta, razón por la cual el vidrio de borosilicato se usa a menudo en lugar de la cal sodada pura para hornear. Para hacer que el vidrio sea aún más resistente, su superficie exterior puede enfriarse más rápidamente que su volumen en un proceso de “templado”, como en el Pyrex original de Corning.

Otra de las innovaciones de Corning, Gorilla Glass para teléfonos inteligentes, tiene una receta de composición y procesamiento más complicada para lograr sus propiedades sólidas y resistentes a los rayones. Un material de aluminosilicato alcalino en el fondo, se produce en una hoja en el aire en un proceso especial de "estirado por fusión" de enfriamiento rápido, antes de sumergirse en una solución de sal fundida para un fortalecimiento químico adicional.

Por lo general, cuanto más denso es un vidrio, más fuerte es. En los últimos años, los investigadores han descubierto que se puede crear un vidrio muy denso mediante la deposición física de vapor, en la que un material vaporizado se condensa sobre una superficie en el vacío. El proceso permite que las moléculas encuentren su empaquetamiento más eficiente una a la vez, como un juego de Tetris.

Dominando lo metálico

en 1960 Pol Duwez, un físico belga de materia condensada que trabajaba en Caltech en California, EE. UU., estaba enfriando rápidamente metales fundidos entre un par de rodillos enfriados, una técnica conocida como enfriamiento por salpicadura, cuando descubrió que los metales solidificados se habían vuelto vítreos. Desde entonces, los vidrios metálicos han cautivado a los científicos de materiales, en parte porque son muy difíciles de fabricar y en parte por sus propiedades inusuales.

Sin ninguno de los límites de grano inherentes a los metales cristalinos ordinarios, los vidrios metálicos no se desgastan fácilmente, razón por la cual la NASA los ha probado para su uso en cajas de engranajes sin lubricante, que se ven aquí, en sus robots espaciales. Estas gafas también resisten la absorción de energía cinética; por ejemplo, una pelota hecha de este material rebota durante un tiempo extrañamente largo. Los vidrios metálicos también tienen excelentes propiedades magnéticas blandas, lo que los hace atractivos para transformadores altamente eficientes y se pueden fabricar en formas complejas, como los plásticos.

Muchos metales solo se volverán vítreos (si es que lo hacen) a velocidades de enfriamiento asombrosamente rápidas: miles de millones de grados por segundo o más. Por esa razón, los investigadores generalmente buscan aleaciones que hagan la transición más fácilmente, generalmente por prueba y error. En los últimos años, sin embargo, Ken Kelton de la Universidad de Washington en St. Louis, US y sus colegas han sugerido que es posible predecir la temperatura de transición vítrea probable midiendo la viscosidad de corte y la expansión térmica de un metal líquido (Acta Mater. 172 1). Kelton y su equipo realizaron un proyecto de investigacion en la estacion espacial internacional, para estudiar la temperatura a la que un metal realmente se vuelve vítreo, y descubrió que el proceso de transición comienza cuando el metal aún es líquido. Al medir qué tan viscoso es el líquido, los investigadores ahora pueden determinar si se formará un vidrio y cuáles serán algunas de sus propiedades. Si la predicción se vuelve común, también podrían hacerlo los vidrios metálicos en los dispositivos comerciales. De hecho, la empresa tecnológica estadounidense Apple ha tenido durante mucho tiempo una patente para el uso de vidrio metálico en las cubiertas de los teléfonos inteligentes, pero nunca lo ha puesto en práctica, quizás debido a la dificultad de encontrar un vidrio metálico que sea económicamente viable.

El futuro de los materiales de cambio de fase

Las propiedades mecánicas de los vidrios y cristales pueden ser diferentes, pero por lo general sus propiedades ópticas y electrónicas son bastante similares. Para el ojo inexperto, por ejemplo, el vidrio normal de dióxido de silicio se ve casi igual que el cuarzo, su contraparte cristalina. Pero algunos materiales, en particular los calcogenuros, que incluyen elementos del grupo oxígeno de la tabla periódica, tienen propiedades ópticas y electrónicas que son marcadamente diferentes en sus estados vítreo y cristalino. Si estos materiales también son formadores de vidrio "malos" (es decir, cristalizan cuando se calientan moderadamente), entonces sirven como los llamados materiales de cambio de fase.

La mayoría de nosotros habremos manejado materiales de cambio de fase en un momento u otro: son el medio de almacenamiento de datos de los DVD regrabables y otros discos ópticos. Inserte uno de estos en una unidad adecuada, y un láser puede cambiar cualquier bit en el disco entre el estado vítreo y cristalino, representando un cero o uno binario. Hoy en día, los discos ópticos han sido reemplazados en gran medida por la memoria "flash" electrónica, que tiene una mayor densidad de almacenamiento y no tiene partes móviles. El vidrio de calcogenuro también se usa a veces en circuitos ópticos integrados fotónicos, como se muestra aquí. Los materiales de cambio de fase han seguido encontrando aplicaciones en el almacenamiento de datos por parte de la La empresa tecnológica estadounidense Intel y su “Optane” marca de memoria, que es de acceso rápido pero no volátil (no se borra cuando se apaga la alimentación). Sin embargo, esta aplicación sigue siendo un nicho.

Más rentable, dice teórico del estado sólido Matthias Wuttig en la Universidad RWTH Aachen, Alemania, es preguntar de dónde viene la propiedad de cambio de fase. Hace cuatro años, él y otros propusieron un nuevo tipo de enlace químico, el enlace “metavalente”, para explicar su origen. Según Wuttig, el enlace metavalente proporciona cierta deslocalización de electrones, como en el enlace metálico, pero con un carácter adicional de intercambio de electrones, como en el enlace covalente. Propiedades únicas, incluido el cambio de fase, resultado (Adv. Mate. 30 1803777). No todos en el campo quieren agregar un nuevo tipo de vinculación a los libros de texto, pero Wuttig cree que la prueba estará en el pudín. “La pregunta ahora es si [el enlace metavalente] tiene poder predictivo”, dice. “Y estamos convencidos de que lo ha hecho”.

Vidrio donde menos te lo esperas

Los fanáticos de los festivales de música reconocerán el fenómeno: lentamente estás tratando de salir de una presentación junto con miles de otras personas, cuando de repente la multitud se detiene y no puedes moverte más. Como una molécula en sílice fundida que se enfría, tu movimiento se detiene repentinamente: tú y tus compañeros asistentes al festival se han convertido en un vaso. O un análogo de vidrio, al menos.

Otros análogos de vidrio incluyen colonias de hormigas, células biológicas atrapadas entre portaobjetos y coloides, como espuma de afeitar (ver imagen arriba). Los coloides en particular, con partículas que miden hasta micras, son sistemas convenientes para probar las teorías de la transición vítrea, ya que su dinámica se puede ver a través de un microscopio. Sin embargo, aún más sorprendente es el inicio del comportamiento del vidrio en ciertos algoritmos informáticos. Por ejemplo, si un algoritmo está diseñado para buscar progresivamente mejores soluciones a un problema con una gran cantidad de variables, puede verse abrumado por la complejidad y detenerse antes de encontrar la solución óptima. Sin embargo, al tomar prestados métodos estadísticos diseñados para el estudio fundamental de las gafas, se pueden mejorar dichos algoritmos y encontrar mejores soluciones.