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Una fachada de edificio de cristal

El vidrio es un sólido amorfo ( no cristalino ). Debido a su transparencia y a su inercia química, el vidrio se utiliza ampliamente en aplicaciones prácticas, tecnológicas y decorativas, como cristales para ventanas , vajillas y óptica . Algunos objetos comunes de vidrio reciben su nombre del material, por ejemplo, un vaso para beber, gafas para corregir la visión y una lupa .

El vidrio se forma con mayor frecuencia mediante el enfriamiento rápido ( templado ) de la forma fundida . Algunos vidrios, como el vidrio volcánico, son de origen natural, y la obsidiana se ha utilizado para fabricar puntas de flecha y cuchillos desde la Edad de Piedra . La evidencia arqueológica sugiere que la fabricación de vidrio se remonta al menos al 3600 a. C. en Mesopotamia , Egipto o Siria . Los objetos de vidrio más antiguos conocidos fueron cuentas , quizás creadas accidentalmente durante la metalurgia o la producción de loza , que es una forma de cerámica que utiliza esmaltes de plomo. [ 1 ]

Debido a su facilidad para moldearse en cualquier forma, el vidrio se ha utilizado tradicionalmente para recipientes como cuencos , jarrones , botellas , tarros y vasos. El vidrio de sílice-soda , que contiene alrededor del 70 % de sílice , representa aproximadamente el 90 % del vidrio fabricado actualmente. El vidrio se puede colorear añadiendo sales metálicas o pintar e imprimir con esmaltes vítreos , lo que ha propiciado su uso en vidrieras y otros objetos de arte en vidrio .

Las propiedades refractivas , reflectantes y transmisivas del vidrio lo hacen idóneo para la fabricación de lentes ópticas , prismas y materiales optoelectrónicos . Las fibras de vidrio extruidas tienen aplicaciones como fibras ópticas en redes de comunicaciones, material aislante térmico cuando se compactan como lana de vidrio para atrapar el aire, o en plástico reforzado con fibra de vidrio ( fibra de vidrio ).

Estructura microscópica

Un gráfico que muestra la falta de una disposición periódica en la estructura microscópica del vidrio.
Estructura amorfa de la sílice vítrea (SiO₂ ) en dos dimensiones. No se observa un orden de largo alcance, aunque sí existe un ordenamiento local en la disposición tetraédrica de los átomos de oxígeno (O) alrededor de los átomos de silicio (Si).
Un gráfico que muestra visualmente la diferencia entre la disposición microscópica de monocristales, policristales y sólidos amorfos, como se explica en el pie de foto.
A nivel microscópico, un monocristal tiene átomos dispuestos en una periodicidad casi perfecta ; un policristal está compuesto por muchos cristales microscópicos; y un sólido amorfo como el vidrio no tiene ninguna periodicidad, ni siquiera a nivel microscópico.

La definición estándar de vidrio (o sólido vítreo) es un sólido no cristalino formado por enfriamiento rápido de la fusión . [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] 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 al calentarse hacia el estado líquido. [ 5 ] [ 6 ]

El vidrio es un sólido amorfo . Aunque la estructura a escala atómica del vidrio comparte características de la estructura de un líquido subenfriado , el vidrio exhibe todas las propiedades mecánicas de un sólido. [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] Al igual que 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 restricciones de los enlaces químicos , los vidrios poseen un alto grado de orden de corto alcance con respecto a los poliedros atómicos locales . [ 10 ] La noción de que el vidrio fluye en una medida apreciable durante períodos prolongados muy por debajo de la temperatura de transición vítrea no está respaldada por la investigación empírica ni el análisis teórico (véase viscosidad en sólidos ). Aunque se puede observar el movimiento atómico en las superficies del vidrio, [ 11 ] y se puede medir una viscosidad del orden de 10 17 –10 18  Pa·s en el vidrio, un valor tan alto refuerza el hecho de que el vidrio no cambiaría de forma apreciablemente incluso durante largos períodos de tiempo. [ 6 ] [ 12 ]

Formación a partir de un líquido subenfriado

Problema sin resolver en física
¿Cuál es la naturaleza de la transición entre un fluido o un sólido regular y una fase vítrea? "El problema sin resolver más profundo e interesante en la teoría del estado sólido es probablemente la teoría de la naturaleza del vidrio y la transición vítrea." — PW Anderson [ 13 ]
Más problemas sin resolver en física

En el caso del enfriamiento rápido de la fusión, si el enfriamiento es suficientemente rápido (en relación con el tiempo de cristalización característico ), se evita la cristalización y, en su lugar, la configuración atómica desordenada del líquido subenfriado se congela en estado sólido a T g . La capacidad de un material para formar vidrio durante el enfriamiento rápido se conoce como su capacidad de formación de vidrio. Esta capacidad puede predecirse mediante la teoría de la rigidez . [ 14 ] Generalmente, un vidrio existe en un estado estructuralmente metaestable con respecto a su forma cristalina , aunque en ciertas circunstancias, por ejemplo en polímeros atácticos , no existe un análogo cristalino de la fase amorfa. [ 15 ]

A veces se considera que el vidrio es un líquido debido a la ausencia de una transición de fase de primer orden [ 8 ] [ 16 ], donde ciertas variables termodinámicas como el volumen , la entropía y la entalpía son discontinuas en el rango de transición vítrea. La transición vítrea puede describirse como análoga a una transición de fase de segundo orden, donde las variables termodinámicas intensivas como la expansividad térmica y la capacidad calorífica son discontinuas. [ 3 ] Sin embargo, la teoría del equilibrio de las transformaciones de fase no se aplica al vidrio, por lo que la transición vítrea no puede clasificarse como una de las transformaciones de fase de equilibrio clásicas en sólidos. [ 5 ] [ 6 ]

Ocurrencia en la naturaleza

El vidrio puede formarse naturalmente a partir de magma volcánico. La obsidiana es un vidrio volcánico común con alto contenido de sílice (SiO₂) que se forma cuando la lava félsica extruida de un volcán se enfría rápidamente. [ 17 ] La ​​impactita es una forma de vidrio formada por el impacto de un meteorito , donde la moldavita (que se encuentra en Europa central y oriental) y el vidrio del desierto libio (que se encuentra en áreas del Sáhara oriental , los desiertos del este de Libia y el oeste de Egipto ) son ejemplos notables. [ 18 ] La vitrificación del cuarzo también puede ocurrir cuando un rayo cae sobre la arena , formando estructuras huecas y ramificadas en forma de raíz llamadas fulguritas . [ 19 ] La trinitita es un residuo vítreo formado a partir de la arena del suelo del desierto en el sitio de prueba de la bomba nuclear Trinity . [ 20 ] Se propone que el vidrio de Edeowie , encontrado en Australia Meridional , se originó a partir de incendios de pastizales del Pleistoceno , rayos o impactos a hipervelocidad de uno o varios asteroides o cometas . [ 21 ]

Historia

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Copa romana con forma de jaula del siglo IV.

El vidrio de obsidiana natural fue utilizado por las sociedades de la Edad de Piedra, ya que se fractura a lo largo de bordes muy afilados, lo que lo hace ideal para herramientas de corte y armas. [ 22 ] [ 23 ]

La fabricación de vidrio se remonta al menos a 6000 años, mucho antes de que los humanos descubrieran cómo fundir el hierro. [ 22 ] La evidencia arqueológica sugiere que el primer vidrio sintético verdadero se fabricó en el Líbano y la costa norte de Siria , Mesopotamia o el antiguo Egipto . [ 24 ] [ 25 ] Los objetos de vidrio más antiguos conocidos, de mediados del tercer milenio a. C., eran cuentas , tal vez creadas inicialmente como subproductos accidentales de la metalurgia ( escorias ) o durante la producción de loza , un material vítreo previdrio hecho por un proceso similar al vidriado . [ 1 ]

El vidrio primitivo rara vez era transparente y a menudo contenía impurezas e imperfecciones, [ 22 ] y técnicamente es loza en lugar de vidrio verdadero, que no apareció hasta el siglo XV a. C. [ 26 ] Sin embargo, las cuentas de vidrio rojo anaranjado excavadas de la civilización del valle del Indo, datadas antes del 1700 a. C. (posiblemente tan pronto como el 1900 a. C.), son anteriores a la producción sostenida de vidrio, que apareció alrededor del 1600 a. C. en Mesopotamia y del 1500 a. C. en Egipto. [ 27 ] [ 28 ]

Durante la Edad del Bronce Tardía , hubo un rápido crecimiento en la tecnología de fabricación de vidrio en Egipto y Asia Occidental . [ 24 ] Los hallazgos arqueológicos de este período incluyen lingotes de vidrio de colores , vasijas y cuentas. [ 24 ] [ 29 ]

Gran parte de la producción temprana de vidrio se basó en técnicas de molienda tomadas de la cantería , como moler y tallar vidrio en estado frío. [ 30 ]

El término vidrio tiene su origen en el Imperio Romano tardío , en el centro romano de fabricación de vidrio de Tréveris (ubicado en la actual Alemania), donde se originó el término latino tardío glesum , probablemente de una palabra germánica para una sustancia transparente y brillante . [ 31 ] Se han recuperado objetos de vidrio en todo el Imperio Romano [ 32 ] en contextos domésticos, funerarios [ 33 ] e industriales, [ 34 ] así como artículos comerciales en mercados de provincias distantes. [ 35 ] [ 36 ] Se han encontrado ejemplos de vidrio romano fuera del antiguo Imperio Romano en China , [ 37 ] los países bálticos , Oriente Medio e India . [ 38 ] Los romanos perfeccionaron el vidrio camafeo , producido mediante el grabado y tallado a través de capas fusionadas de diferentes colores para producir un diseño en relieve en el objeto de vidrio. [ 39 ]

Elaboradas vidrieras en el coro de la Basílica de Saint Denis.
Ventanas en el coro de la Basílica de Saint-Denis , uno de los primeros usos de grandes superficies de vidrio (arquitectura de principios del siglo XIII con vidrieras restauradas del siglo XIX).

En el África occidental posclásica , Benín fue un fabricante de vidrio y cuentas de vidrio. [ 40 ] El vidrio se utilizó ampliamente en Europa durante la Edad Media . Se ha encontrado vidrio anglosajón en toda Inglaterra durante excavaciones arqueológicas tanto en asentamientos como en cementerios. [ 41 ] A partir del siglo X, el vidrio se empleó en vidrieras de iglesias y catedrales , con ejemplos famosos en la Catedral de Chartres y la Basílica de Saint-Denis . En el siglo XIV, los arquitectos diseñaban edificios con paredes de vidrieras, como la Sainte-Chapelle de París (1203-1248) y el extremo oriental de la Catedral de Gloucester . Con el cambio en el estilo arquitectónico durante el Renacimiento en Europa, el uso de grandes vidrieras se volvió mucho menos frecuente, [ 42 ] aunque las vidrieras tuvieron un gran resurgimiento con la arquitectura neogótica en el siglo XIX. [ 43 ]

Durante el siglo XIII, la isla de Murano , Venecia, se convirtió en un centro de fabricación de vidrio, aprovechando las técnicas medievales para producir piezas ornamentales coloridas en grandes cantidades. [ 39 ] Los fabricantes de vidrio de Murano desarrollaron el vidrio cristallo , excepcionalmente transparente e incoloro , llamado así por su parecido con el cristal natural, que se utilizó ampliamente para ventanas, espejos, faroles de barcos y lentes. [ 22 ] En los siglos XIII, XIV y XV, el esmaltado y el dorado de recipientes de vidrio se perfeccionaron en Egipto y Siria. [ 44 ] Hacia finales del siglo XVII, Bohemia se convirtió en una región importante para la producción de vidrio, manteniéndose así hasta principios del siglo XX. Para el siglo XVII, el vidrio de tradición veneciana también se producía en Inglaterra . Alrededor de 1675, George Ravenscroft inventó el vidrio de cristal de plomo , y el vidrio tallado se puso de moda en el siglo XVIII. [ 39 ] Los objetos de vidrio ornamental se convirtieron en un importante medio artístico durante el período Art Nouveau a finales del siglo XIX. [ 39 ]

A lo largo del siglo XX, las nuevas técnicas de producción en masa llevaron a la disponibilidad generalizada de vidrio en cantidades mucho mayores, lo que lo hizo práctico como material de construcción y permitió nuevas aplicaciones del vidrio. [ 45 ] En la década de 1920 se desarrolló un proceso de grabado en molde , en el que el arte se grababa directamente en el molde de modo que cada pieza fundida emergía del molde con la imagen ya en la superficie del vidrio. Esto redujo los costos de fabricación y, combinado con un uso más amplio del vidrio de color, dio lugar a cristalería barata en la década de 1930, que más tarde se conoció como vidrio de la Depresión . [ 46 ] En la década de 1950, Pilkington Bros. en Inglaterra desarrolló el proceso de vidrio flotado , produciendo láminas planas de vidrio de alta calidad y sin distorsión al flotar sobre estaño fundido . [ 22 ] Los edificios modernos de varios pisos se construyen frecuentemente con muros cortina hechos casi en su totalidad de vidrio. [ 47 ] El vidrio laminado se ha aplicado ampliamente en vehículos para parabrisas. [ 48 ] El vidrio óptico para gafas se ha utilizado desde la Edad Media. [ 49 ] La producción de lentes se ha vuelto cada vez más eficiente, ayudando a los astrónomos [ 50 ] además de tener otras aplicaciones en medicina y ciencia. [ 51 ] El vidrio también se emplea como cubierta de apertura en muchos colectores de energía solar . [ 52 ]

En el siglo XXI, los fabricantes de vidrio han desarrollado diferentes marcas de vidrio reforzado químicamente para su amplia aplicación en pantallas táctiles para teléfonos inteligentes , tabletas y muchos otros tipos de dispositivos informáticos . Entre ellos se incluyen Gorilla Glass , desarrollado y fabricado por Corning , Dragontrail de AGC Inc. y Xensation de Schott AG . [ 53 ] [ 54 ] [ 55 ]

Propiedades físicas

Óptico

El vidrio se utiliza ampliamente en sistemas ópticos debido a su capacidad para refractar, reflejar y transmitir la luz según la óptica geométrica . Las aplicaciones más comunes y antiguas del vidrio en óptica son como lentes , ventanas , espejos y prismas . [ 56 ] Las propiedades ópticas clave del vidrio (índice de refracción , dispersión y transmisión ) dependen en gran medida de su composición química y, en menor grado, de su historial térmico. [ 56 ] El vidrio óptico suele tener un índice de refracción de 1,4 a 2,4 y un número de Abbe (que caracteriza la dispersión) de 15 a 100. [ 56 ] El índice de refracción puede modificarse mediante aditivos de alta densidad (aumenta el índice de refracción) o de baja densidad (disminuye el índice de refracción). [ 57 ]

La transparencia del vidrio resulta de la ausencia de límites de grano que dispersan la luz de forma difusa en los materiales policristalinos. [ 58 ] La semiopacidad debida a la cristalización puede inducirse en muchos vidrios manteniéndolos durante un período prolongado a una temperatura apenas insuficiente para causar la fusión. De esta manera, se produce el material cristalino desvitrificado, conocido como porcelana de vidrio de Réaumur. [ 44 ] [ 59 ] Aunque generalmente transparentes a la luz visible, los vidrios pueden ser opacos a otras longitudes de onda de luz . Mientras que los vidrios de silicato son generalmente opacos a las longitudes de onda infrarrojas con un corte de transmisión a 4 μm, los vidrios de fluoruro y calcogenuro de metales pesados ​​son transparentes a las longitudes de onda infrarrojas de 7 a 18 μm. [ 60 ] La adición de óxidos metálicos da como resultado vidrios de diferentes colores, ya que los iones metálicos absorberán longitudes de onda de luz que corresponden a colores específicos. [ 60 ]

Otro

El vidrio se puede fundir y manipular con bastante facilidad mediante una fuente de calor.

En el proceso de fabricación, los vidrios se pueden verter, formar, extruir y moldear en formas que van desde láminas planas hasta formas muy intrincadas. [ 61 ] El producto terminado es frágil, pero se puede laminar o templar para mejorar su durabilidad. [ 62 ] [ 63 ] El vidrio es típicamente inerte, resistente al ataque químico y puede soportar en gran medida la acción del agua, lo que lo convierte en un material ideal para la fabricación de envases para alimentos y la mayoría de los productos químicos. [ 22 ] [ 64 ] [ 65 ] Sin embargo, aunque generalmente es muy resistente al ataque químico, el vidrio se corroerá o disolverá bajo ciertas condiciones. [ 64 ] [ 66 ] Los materiales que componen una composición particular de vidrio afectan la velocidad con la que el vidrio se corroe. Los vidrios que contienen una alta proporción de elementos alcalinos o alcalinotérreos son más susceptibles a la corrosión que otras composiciones de vidrio. [ 67 ] [ 68 ]

La densidad del vidrio varía con la composición química con valores que van desde 2,2 gramos por centímetro cúbico (2200 kg/m³ ) para sílice fundida hasta 7,2 gramos por centímetro cúbico (7200 kg/m³ ) para vidrio flint denso. [ 69 ] El vidrio es más resistente que la mayoría de los metales, con una resistencia a la tracción teórica para vidrio puro e impecable estimada en 14 a 35 gigapascales (2 000 000 a 5 100 000 psi) debido a su capacidad de soportar compresión reversible sin fracturarse. Sin embargo, la presencia de arañazos, burbujas y otros defectos microscópicos conduce a un rango típico de 14 a 175 megapascales (2000 a 25 400 psi) en la mayoría de los vidrios comerciales. [ 60 ] Varios procesos, como el endurecimiento, pueden aumentar la resistencia del vidrio. [ 70 ] Se pueden producir fibras de vidrio impecables cuidadosamente estiradas con una resistencia de hasta 11,5 gigapascales (1.670.000 psi) . [ 60 ]     

Flujo reputado

La observación de que las ventanas antiguas a veces son más gruesas en la parte inferior que en la superior se suele presentar como prueba de que el vidrio fluye a lo largo de siglos, partiendo de la premisa de que ha conservado la propiedad líquida de cambiar de forma. [ 71 ] Esta premisa es incorrecta, ya que una vez solidificado, el vidrio deja de fluir. Las deformaciones y ondulaciones observadas en el vidrio antiguo ya existían el día de su fabricación; los procesos de fabricación del pasado producían láminas con superficies imperfectas y espesor no uniforme (el vidrio flotado casi perfecto que se utiliza hoy en día solo se generalizó en la década de 1960). [ 8 ]

Un estudio de 2017 calculó la tasa de flujo del vidrio medieval utilizado en la Abadía de Westminster desde el año 1268. El estudio halló que la viscosidad de este vidrio a temperatura ambiente era de aproximadamente 10²⁴ Pa · s , lo que representa una viscosidad unas 10¹⁶ veces menor que la estimada en 1998, que se centró en el vidrio de silicato sódico-cálcico. Incluso con esta menor viscosidad, los autores del estudio calcularon que la tasa de flujo máxima del vidrio medieval es de 1 nm por cada mil millones de años, lo que hace imposible su observación en una escala temporal humana. [ 72 ] [ 73 ] 

Tipos

vidrios de silicato

Fotografía en primer plano de arena
La arena de cuarzo (sílice) es la principal materia prima en la producción comercial de vidrio.

El dióxido de silicio (SiO₂ ) es un componente fundamental común del vidrio. El cuarzo fundido es un vidrio hecho de sílice químicamente pura. [ 68 ] Tiene una expansión térmica muy baja y una excelente resistencia al choque térmico , pudiendo sobrevivir a la inmersión en agua al rojo vivo, resiste altas temperaturas (1000–1500  °C) y la meteorización química, y es muy duro. También es transparente a un rango espectral más amplio que el vidrio común, extendiéndose desde el visible hasta los rangos UV e IR , y a veces se utiliza donde se requiere transparencia a estas longitudes de onda. El cuarzo fundido se utiliza para aplicaciones de alta temperatura, como tubos de hornos, tubos de iluminación, crisoles de fusión, etc. [ 74 ] Sin embargo, su alta temperatura de fusión (1723  °C) y viscosidad dificultan su manipulación. Por lo tanto, normalmente se añaden otras sustancias (fundentes) para reducir la temperatura de fusión y simplificar el procesamiento del vidrio. [ 75 ]

Vidrio de soda-cal

El carbonato de sodio (Na₂CO₃ , "soda") es un aditivo común y actúa para disminuir la temperatura de transición vítrea. Sin embargo, el silicato de sodio es soluble en agua , por lo que la cal (CaO, óxido de calcio , generalmente obtenido de la piedra caliza ), junto con el óxido de magnesio (MgO) y el óxido de aluminio ( Al₂O₃ ), se agregan comúnmente para mejorar la durabilidad química. Los vidrios de sosa-cálcica (Na₂O ) + cal (CaO) + magnesia (MgO) + alúmina (Al₂O₃ ) representan más del 75% del vidrio fabricado, conteniendo alrededor del 70 al 74% de sílice en peso. [ 68 ] [ 76 ] El vidrio de sosa-cálcica-silicato es transparente, fácil de moldear y más adecuado para vidrio de ventanas y vajilla. [ 77 ] Sin embargo, tiene una alta expansión térmica y poca resistencia al calor. [ 77 ] El vidrio de sosa-cálcica se usa típicamente para ventanas , botellas , bombillas y frascos . [ 75 ]

vidrio de borosilicato

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Una taza medidora de vidrio borosilicato Pyrex

Los vidrios de borosilicato (por ejemplo, Pyrex , Duran ) suelen contener entre un 5 y un 13 % de trióxido de boro (B₂O₃ ) . [ 75 ] Los vidrios de borosilicato tienen coeficientes de expansión térmica bastante bajos (el CTE del Pyrex 7740 es de 3,25 × 10⁻⁶) .−6 /°C [ 78 ] en comparación con aproximadamente 9 × 10−6 /°C para un vidrio típico de soda-cálcica [ 79 ] ). Por lo tanto, están menos sujetos a la tensión causada por la expansión térmica y, por consiguiente, son menos vulnerables a agrietarse por choque térmico . Se utilizan comúnmente, por ejemplo, para material de laboratorio , utensilios de cocina domésticos y faros de automóviles de haz sellado . [ 75 ]

vidrio de plomo

La adición de óxido de plomo(II) al vidrio de silicato reduce el punto de fusión y la viscosidad del fundido. [ 80 ] La alta densidad del vidrio de plomo (sílice + óxido de plomo (PbO) + óxido de potasio (K 2 O) + sosa (Na 2 O) + óxido de zinc (ZnO) + alúmina) resulta en una alta densidad electrónica y, por lo tanto, un alto índice de refracción, lo que hace que la apariencia de la cristalería sea más brillante y causa una reflexión especular notablemente más y una mayor dispersión óptica . [ 68 ] [ 81 ] El vidrio de plomo tiene una alta elasticidad, lo que hace que la cristalería sea más manejable y produce un sonido de "anillo" claro cuando se golpea. Sin embargo, el vidrio de plomo no puede soportar bien las altas temperaturas. [ 74 ] El óxido de plomo también facilita la solubilidad de otros óxidos metálicos y se utiliza en vidrio de color. La disminución de la viscosidad del fundido de vidrio de plomo es muy significativa (aproximadamente 100 veces en comparación con el vidrio de sosa); Esto permite una eliminación más sencilla de burbujas y trabajar a temperaturas más bajas, de ahí su uso frecuente como aditivo en esmaltes vítreos y soldaduras de vidrio . El elevado radio iónico del ion Pb²⁺ lo hace altamente inmóvil y dificulta el movimiento de otros iones; por consiguiente, los vidrios de plomo tienen una alta resistencia eléctrica, aproximadamente dos órdenes de magnitud superior a la del vidrio de sosa-cálcica (10⁸,⁵ frente a 10⁶ ,⁵  Ω⋅cm, CC a 250  °C). [ 82 ]

vidrio de aluminosilicato

El vidrio de aluminosilicato suele contener entre un 5 y un 10 % de alúmina (Al₂O₃ ) . Este tipo de vidrio tiende a ser más difícil de fundir y moldear que las composiciones de borosilicato, pero posee una excelente resistencia térmica y durabilidad. [ 75 ] El vidrio de aluminosilicato se utiliza ampliamente en la fabricación de fibra de vidrio , [ 83 ] plásticos reforzados con fibra de vidrio (embarcaciones, cañas de pescar, etc.), utensilios de cocina para estufas y vidrio para bombillas halógenas. [ 74 ] [ 75 ]

Otros aditivos de óxido

La adición de bario también aumenta el índice de refracción. El óxido de torio proporciona al vidrio un alto índice de refracción y baja dispersión, y se utilizaba antiguamente en la producción de lentes de alta calidad, pero debido a su radiactividad ha sido reemplazado por óxido de lantano en las gafas modernas. [ 84 ] El hierro puede incorporarse al vidrio para absorber la radiación infrarroja , por ejemplo, en filtros de absorción de calor para proyectores de cine, mientras que el óxido de cerio(IV) puede utilizarse para vidrios que absorben longitudes de onda ultravioleta . [ 85 ] El flúor reduce la constante dieléctrica del vidrio. El flúor es altamente electronegativo y reduce la polarizabilidad del material. Los vidrios de silicato de fluoruro se utilizan en la fabricación de circuitos integrados como aislante. [ 86 ]

vitrocerámica

Una placa de cocina con dos de sus ojos encendidos
Una placa vitrocerámica de alta resistencia con mínima dilatación térmica.

Los materiales vitrocerámicos contienen fases tanto de vidrio no cristalino como de cerámica cristalina . Se forman mediante nucleación controlada y cristalización parcial de un vidrio base por tratamiento térmico. [ 87 ] Los granos cristalinos suelen estar incrustados en una fase intergranular no cristalina de los límites de grano . Las vitrocerámicas presentan propiedades térmicas, químicas, biológicas y dieléctricas ventajosas en comparación con los metales o los polímeros orgánicos. [ 87 ]

La propiedad comercialmente más importante de las vitrocerámicas es su resistencia al choque térmico. Por ello, se han vuelto extremadamente útiles para cocinar a temperatura ambiente y en procesos industriales. El coeficiente de dilatación térmica (CDT) negativo de la fase cerámica cristalina se puede compensar con el CDT positivo de la fase vítrea. En cierto punto (~70% cristalino), la vitrocerámica tiene un CDT neto cercano a cero. Este tipo de vitrocerámica presenta excelentes propiedades mecánicas y puede soportar cambios de temperatura rápidos y repetidos de hasta 1000  °C. [ 88 ] [ 87 ]

Fibra de vidrio

La fibra de vidrio (también llamada plástico reforzado con fibra de vidrio, PRFV) es un material compuesto que se obtiene reforzando una resina plástica con fibras de vidrio . Se fabrica fundiendo vidrio y estirándolo para formar fibras. Estas fibras se tejen juntas para formar una tela y se dejan fraguar en una resina plástica. [ 89 ] [ 90 ] [ 91 ] La fibra de vidrio posee propiedades como ligereza y resistencia a la corrosión, además de ser un buen aislante, lo que permite su uso como material aislante en la construcción y para carcasas electrónicas en productos de consumo. La fibra de vidrio se utilizó originalmente en el Reino Unido y Estados Unidos durante la Segunda Guerra Mundial para fabricar radomos . Entre sus usos se incluyen materiales de construcción, cascos de barcos, piezas de carrocería de automóviles y materiales compuestos aeroespaciales. [ 92 ] [ 89 ] [ 91 ]

La lana de fibra de vidrio es un excelente material de aislamiento térmico y acústico , comúnmente utilizado en edificios (p. ej., aislamiento de áticos y paredes con cámara de aire ), fontanería (p. ej. , aislamiento de tuberías ) y aislamiento acústico . [ 92 ] Se produce forzando vidrio fundido a través de una malla fina mediante fuerza centrípeta y rompiendo las fibras de vidrio extruidas en longitudes cortas mediante un chorro de aire a alta velocidad. Las fibras se unen con un adhesivo en aerosol y la estera de lana resultante se corta y se empaqueta en rollos o paneles. [ 60 ]

Vidrios sin silicato

Un CD
Un CD-RW (CD). El vidrio de calcogenuro constituye la base de la tecnología de memoria de estado sólido regrabable de CD y DVD. [ 93 ]

Además de los vidrios comunes a base de sílice, muchos otros materiales inorgánicos y orgánicos también pueden formar vidrios, incluidos metales , aluminatos , fosfatos , boratos , calcogenuros , fluoruros , germanatos (vidrios a base de GeO 2 ), teluritos (vidrios a base de TeO 2 ), antimoniatos (vidrios a base de Sb 2 O 3 ), arseniatos (vidrios a base de As 2 O 3 ), titanatos (vidrios a base de TiO 2 ), tantalatos (vidrios a base de Ta 2 O 5 ), nitratos , carbonatos , plásticos , acrílicos y muchas otras sustancias. [ 6 ] Algunos de estos vidrios (por ejemplo, dióxido de germanio (GeO 2 , germania), en muchos aspectos un análogo estructural de la sílice, fluoruro , aluminato, fosfato , borato y vidrios de calcogenuro) tienen propiedades fisicoquímicas útiles para su aplicación en guías de onda de fibra óptica en redes de comunicación y otras aplicaciones tecnológicas especializadas. [ 94 ] [ 95 ]

Los vidrios sin sílice suelen tener una baja tendencia a la formación de vidrio. Se pueden utilizar técnicas novedosas, como el procesamiento sin recipiente mediante levitación aerodinámica (enfriamiento del material fundido mientras flota sobre una corriente de gas) o el enfriamiento rápido (compresión del material fundido entre dos yunques o rodillos metálicos), para aumentar la velocidad de enfriamiento o reducir los desencadenantes de la nucleación de cristales. [ 96 ] [ 97 ] [ 98 ]

metales amorfos

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Muestras de metal amorfo, a escala milimétrica.

En el pasado, se han producido pequeñas cantidades de metales amorfos con configuraciones de gran superficie (cintas, alambres, películas, etc.) mediante la aplicación de velocidades de enfriamiento extremadamente rápidas. Se han producido alambres de metal amorfo mediante la pulverización catódica de metal fundido sobre un disco metálico giratorio. [ 99 ] [ 100 ]

Se han producido varias aleaciones en capas con espesores superiores a 1 milímetro. Estas se conocen como vidrios metálicos a granel (BMG, por sus siglas en inglés). Liquidmetal Technologies comercializa varios BMG a base de circonio .

También se han producido lotes de acero amorfo que demuestran propiedades mecánicas muy superiores a las que se encuentran en las aleaciones de acero convencionales. [ 101 ]

La evidencia experimental indica que el sistema Al-Fe-Si puede experimentar una transición de primer orden a una forma amorfa (denominada "vidrio q") durante el enfriamiento rápido desde el estado fundido. Las imágenes de microscopía electrónica de transmisión (TEM) indican que el vidrio q se nuclea a partir del estado fundido como partículas discretas con un crecimiento esférico uniforme en todas las direcciones. Si bien la difracción de rayos X revela la naturaleza isotrópica del vidrio q, existe una barrera de nucleación que implica una discontinuidad interfacial (o superficie interna) entre las fases de vidrio y fundido. [ 102 ] [ 103 ]

Polímeros

Entre los vidrios poliméricos importantes se incluyen compuestos farmacéuticos amorfos y vítreos. Estos son útiles porque la solubilidad del compuesto aumenta considerablemente cuando es amorfo en comparación con la misma composición cristalina. Muchos fármacos emergentes son prácticamente insolubles en sus formas cristalinas. [ 104 ] Muchos termoplásticos poliméricos de uso cotidiano son vidrios. Para muchas aplicaciones, como botellas de vidrio o gafas , los vidrios poliméricos ( vidrio acrílico , policarbonato o tereftalato de polietileno ) son una alternativa más ligera al vidrio tradicional. [ 105 ]

Líquidos moleculares y sales fundidas

Los líquidos moleculares, electrolitos , sales fundidas y soluciones acuosas son mezclas de diferentes moléculas o iones que no forman una red covalente, sino que interactúan únicamente a través de débiles fuerzas de van der Waals o enlaces de hidrógeno transitorios . En una mezcla de tres o más especies iónicas de tamaño y forma disímiles, la cristalización puede ser tan difícil que el líquido puede superenfriarse fácilmente hasta convertirse en vidrio. [ 106 ] [ 107 ] Algunos ejemplos incluyen LiCl: R H 2 O (una solución de sal de cloruro de litio y moléculas de agua) en el rango de composición 4 < R < 8. [ 108 ] vidrio de azúcar , [ 109 ] o Ca 0.4 K 0.6 (NO 3 ) 1.4 . [ 110 ] Se han propuesto electrolitos de vidrio en forma de vidrio de litio dopado con Ba y vidrio de sodio dopado con Ba como soluciones a los problemas identificados con los electrolitos líquidos orgánicos utilizados en las celdas de baterías de iones de litio modernas. [ 111 ]

Producción

Un trozo de vidrio al rojo vivo siendo soplado.
Robots industriales descargando vidrio flotado

Después de la preparación y mezcla de la mezcla de vidrio , las materias primas se transportan al horno. El vidrio de sosa-cálcica para la producción en masa se funde en hornos de fusión de vidrio . Los hornos de menor escala para vidrios especiales incluyen fundidores eléctricos, hornos de crisol y tanques de día. [ 76 ] Después de la fusión, homogeneización y refinamiento (eliminación de burbujas), se forma el vidrio . Esto puede lograrse manualmente mediante soplado de vidrio , que consiste en reunir una masa de vidrio caliente semifundido, inflarlo en una burbuja usando un tubo de soplado hueco y darle la forma requerida soplando, balanceando, enrollando o moldeando. Mientras está caliente, el vidrio se puede trabajar con herramientas manuales, cortar con tijeras y agregar partes adicionales como asas o pies mediante soldadura. [ 112 ] El vidrio plano para ventanas y aplicaciones similares se forma mediante el proceso de vidrio flotado , desarrollado entre 1953 y 1957 por Sir Alastair Pilkington y Kenneth Bickerstaff de Pilkington Brothers del Reino Unido, quienes crearon una cinta continua de vidrio utilizando un baño de estaño fundido sobre el cual el vidrio fundido fluye sin obstáculos bajo la influencia de la gravedad. La superficie superior del vidrio se somete a nitrógeno a presión para obtener un acabado pulido. [ 113 ] El vidrio para envases de botellas y frascos comunes se forma mediante métodos de soplado y prensado . [ 114 ] Este vidrio a menudo se modifica ligeramente químicamente (con más alúmina y óxido de calcio) para una mayor resistencia al agua. [ 115 ]

Una vez obtenida la forma deseada, el vidrio generalmente se recoce para eliminar tensiones y aumentar su dureza y durabilidad. [ 116 ] Posteriormente se pueden aplicar tratamientos superficiales, recubrimientos o laminación para mejorar la durabilidad química ( recubrimientos para envases de vidrio , tratamiento interno de envases de vidrio ), la resistencia ( vidrio templado , vidrio antibalas , parabrisas [ 117 ] ) o las propiedades ópticas ( acristalamiento aislante , recubrimiento antirreflectante ). [ 118 ]

Las nuevas composiciones químicas de vidrio o las nuevas técnicas de tratamiento pueden investigarse inicialmente en experimentos de laboratorio a pequeña escala. Las materias primas para las fundiciones de vidrio a escala de laboratorio suelen ser diferentes de las utilizadas en la producción en masa, ya que el factor coste tiene una prioridad baja. En el laboratorio se utilizan principalmente productos químicos puros . Debe tenerse cuidado de que las materias primas no hayan reaccionado con la humedad u otros productos químicos del ambiente (como óxidos e hidróxidos de metales alcalinos o alcalinotérreos, u óxido de boro ), o que se cuantifiquen las impurezas (pérdida por ignición). [ 119 ] Las pérdidas por evaporación durante la fusión del vidrio deben tenerse en cuenta al seleccionar las materias primas; por ejemplo, puede preferirse el selenito de sodio al dióxido de selenio (SeO 2 ), que se evapora fácilmente. Asimismo, pueden preferirse materias primas que reaccionen más fácilmente a otras relativamente inertes , como el hidróxido de aluminio (Al(OH) 3 ) a la alúmina (Al 2 O 3 ). Normalmente, las fundiciones se llevan a cabo en crisoles de platino para reducir la contaminación del material del crisol. La homogeneidad del vidrio se logra homogeneizando la mezcla de materias primas ( lote de vidrio ), agitando la masa fundida y triturando y volviendo a fundir la primera masa fundida. El vidrio obtenido generalmente se recoce para evitar roturas durante el procesamiento. [ 119 ] [ 120 ]

Color

El color en el vidrio se puede obtener mediante la adición de iones cargados eléctricamente distribuidos homogéneamente (o centros de color ). Mientras que el vidrio sodocálcico común parece incoloro en secciones delgadas, las impurezas de óxido de hierro(II) (FeO) producen un tinte verde en secciones gruesas. [ 121 ] El dióxido de manganeso (MnO 2 ), que da al vidrio un color púrpura, se puede agregar para eliminar el tinte verde dado por el FeO. [ 122 ] Los aditivos de FeO y óxido de cromo(III) (Cr 2 O 3 ) se utilizan en la producción de botellas verdes. [ 121 ] El óxido de hierro(III) , por otro lado, produce vidrio amarillo o amarillo-marrón. [ 123 ] Bajas concentraciones (0,025 a 0,1%) de óxido de cobalto (CoO) producen vidrio de cobalto azul intenso y profundo . [ 124 ] El cromo es un agente colorante muy potente, que produce verde oscuro. [ 125 ] El azufre combinado con sales de carbono y hierro produce vidrio ámbar que varía de amarillento a casi negro. [ 126 ] Un vidrio fundido también puede adquirir un color ámbar a partir de una atmósfera de combustión reductora. [ 127 ] El sulfuro de cadmio produce rojo imperial y, combinado con selenio, puede producir tonalidades de amarillo, naranja y rojo. [ 121 ] [ 123 ] La adición de óxido de cobre(II) (CuO) produce un color turquesa en el vidrio, en contraste con el óxido de cobre(I) (Cu 2 O) que da un color marrón rojizo apagado. [ 128 ]

Usos

Arquitectura y ventanas

El vidrio plano de sílice-soda se utiliza habitualmente como material de acristalamiento transparente , generalmente en ventanas de fachadas de edificios. Los productos de vidrio plano flotado o laminado se cortan a medida mediante corte y rotura, corte láser , chorro de agua o sierra de diamante . El vidrio puede templarse térmica o químicamente (reforzarse) para mayor seguridad y curvarse durante el calentamiento. Se pueden añadir recubrimientos superficiales para funciones específicas, como resistencia a los arañazos, bloqueo de longitudes de onda de luz específicas (p. ej., infrarrojos o ultravioleta ), repelencia a la suciedad (p. ej. , vidrio autolimpiable ) o recubrimientos electrocrómicos conmutables. [ 129 ]

Los sistemas de acristalamiento estructural representan una de las innovaciones arquitectónicas más significativas de la época moderna, donde los edificios de vidrio ahora suelen dominar los horizontes de muchas ciudades modernas . [ 130 ] Estos sistemas utilizan herrajes de acero inoxidable embutidos en huecos en las esquinas de los paneles de vidrio, lo que permite que los paneles reforzados parezcan sin soporte, creando un exterior liso. [ 130 ] Los sistemas de acristalamiento estructural tienen sus raíces en los invernaderos de hierro y vidrio del siglo XIX . [ 131 ]

Vajilla

El vidrio es un componente esencial de la vajilla y se usa típicamente para vasos de agua, cerveza y vino . [ 51 ] Las copas de vino suelen ser de tallo , es decir, copas formadas por un cáliz, un tallo y una base. El cristal de plomo se puede cortar y pulir para producir vasos decorativos con facetas brillantes. [ 132 ] [ 133 ] Otros usos del vidrio en la vajilla incluyen decantadores , jarras , platos y cuencos . [ 51 ]

Embalaje

La naturaleza inerte e impermeable del vidrio lo convierte en un material estable y ampliamente utilizado para el envasado de alimentos y bebidas, como botellas y frascos . La mayor parte del vidrio para envases es vidrio de sílice-soda , producido mediante técnicas de soplado y prensado . El vidrio para envases tiene un menor contenido de óxido de magnesio y óxido de sodio que el vidrio plano, y un mayor contenido de sílice , óxido de calcio y óxido de aluminio . [ 134 ] Su mayor contenido de óxidos insolubles en agua le confiere una durabilidad química ligeramente superior frente al agua, lo cual es ventajoso para el almacenamiento de bebidas y alimentos. Los envases de vidrio son sostenibles, fácilmente reciclables, reutilizables y rellenables. [ 135 ]

Para aplicaciones electrónicas, el vidrio se puede utilizar como sustrato en la fabricación de dispositivos pasivos integrados , resonadores acústicos de volumen de película delgada y como material de sellado hermético en el empaquetado de dispositivos, [ 136 ] [ 137 ] incluyendo encapsulaciones muy delgadas basadas únicamente en vidrio de circuitos integrados y otros semiconductores en altos volúmenes de fabricación. [ 138 ]

Laboratorios

El vidrio es un material importante en los laboratorios científicos para la fabricación de aparatos experimentales porque es relativamente barato, se puede moldear fácilmente en las formas requeridas para el experimento, es fácil de mantener limpio, puede soportar tratamientos de calor y frío, generalmente no reacciona con muchos reactivos y su transparencia permite la observación de reacciones y procesos químicos. [ 139 ] [ 140 ] Las aplicaciones de material de vidrio de laboratorio incluyen matraces , placas de Petri , tubos de ensayo , pipetas , cilindros graduados , recipientes metálicos revestidos de vidrio para procesamiento químico, columnas de fraccionamiento , tuberías de vidrio, líneas Schlenk , manómetros y termómetros . [ 141 ] [ 139 ] Aunque la mayoría del material de vidrio de laboratorio estándar se ha producido en masa desde la década de 1920, los científicos todavía emplean sopladores de vidrio calificados para fabricar aparatos de vidrio a medida para sus necesidades experimentales. [ 142 ]

Óptica

El vidrio es un material omnipresente en óptica debido a su capacidad para refractar , reflejar y transmitir la luz. Estas y otras propiedades ópticas pueden controlarse variando la composición química, el tratamiento térmico y las técnicas de fabricación. Las numerosas aplicaciones del vidrio en óptica incluyen lentes para la corrección de la visión, óptica de imagen (por ejemplo, lentes y espejos en telescopios , microscopios y cámaras ), fibra óptica en tecnología de telecomunicaciones y óptica integrada . Las microlentes y la óptica de índice de gradiente (donde el índice de refracción no es uniforme) se utilizan, por ejemplo, en la lectura de discos ópticos , impresoras láser , fotocopiadoras y diodos láser . [ 56 ]

Gestión de residuos radiactivos

Los vidrios se utilizan para la inmovilización de desechos radiactivos de alta actividad que contaminarían las aguas subterráneas con radionúclidos solubles en agua si se depositaran directamente en un depósito geológico profundo . [ 143 ] [ 144 ] El vidrio es muy adecuado para esta inmovilización debido a su alta durabilidad química y su capacidad para incorporar una amplia variedad de elementos químicos en su estructura. [ 145 ] En particular, los vidrios de borosilicato alcalino son los más comunes para este propósito, e incluyen el Vidrio Simple Internacional , [ 146 ] un vidrio de borosilicato alcalino simple de 6 óxidos utilizado para pruebas de durabilidad estandarizadas. Algunos países, especialmente Estados Unidos y Rusia , utilizan vidrios de fosfato en su lugar. [ 147 ]

Arte moderno en vidrio

El siglo XIX presenció un resurgimiento de las antiguas técnicas de fabricación de vidrio, incluyendo el vidrio camafeo , logrado por primera vez desde el Imperio Romano, inicialmente sobre todo para piezas de estilo neoclásico . El movimiento Art Nouveau hizo un gran uso del vidrio, con René Lalique , Émile Gallé y Daum de Nancy en la primera ola francesa del movimiento, produciendo jarrones de colores y piezas similares, a menudo con técnicas de vidrio camafeo o vidrio lustroso . [ 148 ]

Louis Comfort Tiffany, en Estados Unidos, se especializó en vidrieras , tanto seculares como religiosas, en paneles y sus famosas lámparas. A principios del siglo XX, empresas como Waterford y Lalique comenzaron a producir arte en vidrio a gran escala en fábricas . Los pequeños talleres también elaboran obras de arte en vidrio de forma artesanal. Entre las técnicas para producir arte en vidrio se incluyen el soplado , la fundición en horno, la fusión, el termoformado, la pasta de vidrio , el trabajo con llama, el modelado en caliente y el trabajo en frío. El trabajo en frío incluye el trabajo tradicional en vidrieras y otros métodos para dar forma al vidrio a temperatura ambiente. Los objetos hechos de vidrio incluyen vasijas, pisapapeles , canicas , cuentas , esculturas e instalaciones artísticas . [ 149 ]

Véase también

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