Vidrio poroso

El vidrio poroso es un vidrio que incluye poros, generalmente en el rango de nanómetros o micrómetros , comúnmente preparado por uno de los siguientes procesos: a través de la separación de fases metaestables en vidrios de borosilicato (como en su sistema SiO ₂ -B ₂ O ₃ -Na ₂ O), seguida de la extracción líquida de una de las fases formadas; ^{[ 1 ] [ 2 ]} a través del proceso sol-gel ; o simplemente por sinterización de polvo de vidrio .

Las propiedades específicas y la disponibilidad comercial del vidrio poroso lo convierten en uno de los sólidos amorfos más investigados y caracterizados . Gracias a la posibilidad de modelar su microestructura , los vidrios porosos presentan un gran potencial como sistema modelo. Exhiben una elevada resistencia química, térmica y mecánica, resultado de una red de sílice rígida e incompresible . Se pueden producir con alta calidad y con tamaños de poro que van desde 1  nm hasta cualquier valor deseado. La fácil funcionalización de la superficie interna abre un amplio campo de aplicaciones para los vidrios porosos.

Otra ventaja especial de los vidrios porosos, en comparación con otros materiales porosos, es que se pueden fabricar no solo en forma de polvo o granulado, sino también en piezas más grandes con prácticamente cualquier forma y textura definidas por el usuario.

En la primera mitad del siglo XX, Turner y Winks descubrieron que los vidrios de borosilicato pueden lixiviarse con ácidos. Sus investigaciones demostraron que el tratamiento térmico no solo influye en la estabilidad química, sino también en la densidad , el índice de refracción , la dilatación térmica y la viscosidad . En 1934, Nordberg y Hood descubrieron que los vidrios de borosilicato alcalino se separan en fases solubles (ricas en borato de sodio) e insolubles (ricas en sílice) al ser sometidos a tratamiento térmico. Mediante la extracción con ácidos minerales, se puede eliminar la fase soluble, quedando una red porosa de sílice. Tras la extracción, durante un proceso de sinterización, se genera un vidrio de sílice con propiedades similares a las del vidrio de cuarzo . La fabricación de estos vidrios con alto contenido de sílice se conoce como el proceso VYCOR .

En la literatura científica, el vidrio poroso es un material poroso que contiene aproximadamente un 96 % de sílice , producido mediante extracción ácida o extracción combinada ácida y alcalina , respectivamente, de vidrios de borosilicato alcalino con fases separadas , y presenta una microestructura porosa tridimensional interconectada. Para los vidrios porosos disponibles comercialmente, se utilizan los términos vidrio VYCOR poroso (PVG) y vidrio de poro controlado (CPG). La estructura de poros se forma mediante un sistema de canales sindéticos y tiene una superficie específica de 10 a 300 m² ^/ g. Los vidrios porosos pueden generarse mediante extracción ácida de vidrios de borosilicato alcalino con fases separadas o mediante un proceso sol-gel. Al regular los parámetros de fabricación, es posible producir un vidrio poroso con un tamaño de poro de entre 0,4 y 1000  nm en una distribución de tamaño de poro muy estrecha. Se pueden generar diversos moldes, por ejemplo, partículas irregulares (polvo, granulado), esferas, placas, varillas, fibras, membranas ultrafinas, tubos y anillos.

La fabricación repetitiva de vidrio poroso requiere el conocimiento de los parámetros que determinan y controlan su estructura. La composición del vidrio inicial es un parámetro que controla la estructura. La fabricación del vidrio inicial, principalmente el proceso de enfriamiento, la temperatura y el tiempo del tratamiento térmico, y el postratamiento, son parámetros que determinan la estructura. El diagrama de fases del vidrio de borosilicato de sodio muestra una brecha de miscibilidad para ciertas composiciones de vidrio.

La temperatura crítica superior se sitúa en torno a los 760  °C y la inferior en torno a los 500  °C. Moltschanova fue la primera persona que describió con exactitud la definición de la exsolución. Para que se produzca una separación de fases, la composición inicial del vidrio debe estar dentro del intervalo de miscibilidad del sistema ternario Na.₂ O-B₂ O₃ -SiO_{Sistema de vidrio 2.} Mediante un tratamiento térmico, se genera una estructura de interpenetración, resultado de la descomposición espinodal de la fase de borato rica en sodio y la fase de sílice. Este proceso se denominadescomposición primaria. Utilizando una composición inicial del vidrio que se encuentra en la línea de anomalía, es posible alcanzar una descomposición máxima prácticamente sin tensiones.

Dado que ambas fases presentan diferentes resistencias al agua, a los ácidos minerales y a las soluciones de sales inorgánicas, la fase de borato rica en sodio presente en estos medios puede eliminarse mediante extracción. La extracción óptima solo es posible si la composición inicial del vidrio y el tratamiento térmico se seleccionan de manera que se formen estructuras combinadas, y no estructuras de gotas. La textura está influenciada por la composición del vidrio inicial, que determina el tamaño y el tipo de las zonas de descomposición. En el contexto de los vidrios porosos, la "textura" implica propiedades como el volumen específico de poros, la superficie específica, el tamaño de poro y la porosidad. Además, la textura de los vidrios porosos está influenciada por la concentración del medio de extracción y la proporción de fluido a sólido. Las zonas de descomposición emergentes dependen del tiempo y la temperatura del tratamiento térmico.

Además, la sílice coloidal se disuelve en la fase de borato rica en sodio al aumentar el tiempo y la temperatura del tratamiento térmico. Este proceso se denomina descomposición secundaria. La sílice coloidal se deposita en los macroporos durante la extracción y oculta la estructura porosa real. La solubilidad de la sílice coloidal en soluciones alcalinas es mayor que la de la sílice reticulada, por lo que puede eliminarse mediante un postratamiento alcalino.

Gracias a su elevada estabilidad mecánica, térmica y química, la posibilidad de fabricar poros de tamaños variables con una distribución granulométrica reducida y diversas modificaciones superficiales, se abre un amplio abanico de aplicaciones. La versatilidad de los vidrios porosos, que permite producirlos en múltiples formas, constituye otra ventaja para su aplicación en la industria, la medicina, la investigación farmacéutica, la biotecnología y la tecnología de sensores.

Los vidrios porosos son ideales para la separación de materiales debido a la pequeña distribución del tamaño de sus poros. Por ello, se utilizan en cromatografía de gases, cromatografía de capa fina y cromatografía de afinidad. Es posible adaptar la fase estacionaria a un problema de separación específico mediante una modificación particular de la superficie del vidrio poroso.

En biotecnología, los vidrios porosos ofrecen ventajas para la limpieza de ADN y la inmovilización de enzimas o microorganismos. El vidrio de poros controlados (CPG), con tamaños de poro entre 50 y 300  nm, también resulta idóneo para la síntesis de oligonucleótidos . En esta aplicación, primero se une un enlazador, un nucleósido o un compuesto no nucleosídico, a la superficie del CPG. La longitud de la cadena de los oligonucleótidos producidos depende del tamaño de poro del CPG.

Además, los vidrios porosos se utilizan en la fabricación de implantes, especialmente implantes dentales, para los cuales el polvo de vidrio poroso se procesa con plásticos para formar un material compuesto. El tamaño de las partículas y el tamaño de los poros influyen en la elasticidad del material compuesto, de modo que sus propiedades ópticas y mecánicas se adaptan al tejido circundante, por ejemplo, al aspecto y la dureza del esmalte dental.

Gracias a su capacidad para formar vidrios porosos en forma de plaquetas, la tecnología de membranas constituye otra área de aplicación importante. La hiperfiltración de agua de mar y salobre, así como la ultrafiltración en procesos posteriores, son solo dos ejemplos. Además, suelen ser adecuadas como soporte para catalizadores. Por ejemplo, la metátesis de olefinas se ha llevado a cabo en el sistema metal-óxido metálico/vidrio poroso.

Los vidrios porosos también pueden utilizarse como reactores de membrana , debido a su elevada estabilidad mecánica, térmica y química. Los reactores de membrana permiten mejorar la conversión de reacciones con equilibrio limitado, mientras que una membrana selectiva elimina uno de los productos de la reacción. Por ejemplo, en la descomposición del sulfuro de hidrógeno sobre un catalizador en un capilar de vidrio, la conversión por reacción fue mayor con el capilar de vidrio que sin él.

• Vycor
• Materiales de vidrio con nanocanales

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• Separación de fases en vidrios de borosilicato y silicato de metales alcalinotérreos