El cuarzo fundido , sílice fundida o vidrio de cuarzo es un vidrio formado por sílice casi pura (dióxido de silicio, SiO 2 ) en forma amorfa (no cristalina ). Se diferencia de todos los demás vidrios comerciales, como el vidrio sodocálcico , el vidrio de plomo o el vidrio de borosilicato , en que se añaden otros ingredientes que modifican las propiedades ópticas y físicas del vidrio, como la reducción de la temperatura de fusión, el rango de transmisión espectral, o la resistencia mecánica. Por lo tanto, el cuarzo fundido tiene altas temperaturas de trabajo y de fusión, lo que lo hace difícil de formar y menos deseable para las aplicaciones más comunes, pero es mucho más fuerte, más resistente químicamente y exhibe una menor expansión térmica , lo que lo hace más adecuado para muchos usos especializados como Iluminación y aplicaciones científicas.
Los términos cuarzo fundido y sílice fundida se utilizan indistintamente, pero pueden referirse a diferentes técnicas de fabricación, lo que da lugar a diferentes trazas de impurezas. Sin embargo, el cuarzo fundido, al estar en estado vítreo , tiene propiedades físicas bastante diferentes en comparación con el cuarzo cristalino a pesar de estar hecho de la misma sustancia. [2] Debido a sus propiedades físicas, encuentra usos especializados en la fabricación de semiconductores y equipos de laboratorio, por ejemplo.
En comparación con otros vidrios comunes, la transmisión óptica del sílice puro se extiende hasta las longitudes de onda ultravioleta e infrarroja , por lo que se utiliza para fabricar lentes y otras ópticas para estas longitudes de onda. Dependiendo de los procesos de fabricación, las impurezas restringirán la transmisión óptica, lo que dará como resultado grados comerciales de cuarzo fundido optimizados para su uso en el infrarrojo o en el ultravioleta. El bajo coeficiente de expansión térmica del cuarzo fundido lo convierte en un material útil para sustratos de espejos de precisión o superficies ópticas . [3]
El cuarzo fundido se produce fusionando ( fundiendo) arena de sílice de alta pureza, que consta de cristales de cuarzo . Hay cuatro tipos básicos de vidrio de sílice comercial:
El cuarzo contiene sólo silicio y oxígeno, aunque el vidrio de cuarzo comercial suele contener impurezas. Dos impurezas dominantes son el aluminio y el titanio [5] que afectan la transmisión óptica en longitudes de onda ultravioleta. Si hay agua presente en el proceso de fabricación, pueden incrustarse grupos hidroxilo (OH), lo que reduce la transmisión en el infrarrojo.
La fusión se realiza a aproximadamente 2200 °C (4000 °F) utilizando un horno calentado eléctricamente (con fusión eléctrica) o un horno alimentado con gas/oxígeno (con fusión a llama). [6] La sílice fundida se puede fabricar a partir de casi cualquier precursor químico rico en silicio , normalmente mediante un proceso continuo que implica la oxidación por llama de compuestos de silicio volátiles a dióxido de silicio y la fusión térmica del polvo resultante (aunque se utilizan procesos alternativos). Esto da como resultado un vidrio transparente con una pureza ultraalta y una transmisión óptica mejorada en el ultravioleta profundo. Un método común consiste en agregar tetracloruro de silicio a una llama de hidrógeno y oxígeno. [ cita necesaria ]
El cuarzo fundido normalmente es transparente. Sin embargo, el material puede volverse translúcido si se permiten pequeñas burbujas de aire atrapadas en su interior. El contenido de agua (y por tanto la transmisión infrarroja) del cuarzo fundido está determinado por el proceso de fabricación. El material fundido con llama siempre tiene un mayor contenido de agua debido a la combinación de hidrocarburos y oxígeno que alimentan el horno, formando grupos hidroxilo [OH] dentro del material. Un material de grado IR normalmente tiene un contenido de [OH] inferior a 10 ppm. [7]
Muchas aplicaciones ópticas del cuarzo fundido aprovechan su amplio rango de transparencia, que puede extenderse hasta el ultravioleta y el infrarrojo medio cercano. El cuarzo fundido es el material de partida clave para la fibra óptica , utilizada en telecomunicaciones.
Debido a su resistencia y alto punto de fusión (en comparación con el vidrio ordinario ), el cuarzo fundido se utiliza como envoltura para lámparas halógenas y lámparas de descarga de alta intensidad , que deben funcionar a una temperatura envolvente alta para lograr su combinación de alto brillo y larga vida útil. . Algunos tubos de vacío de alta potencia utilizaban envolturas de sílice cuya buena transmisión en longitudes de onda infrarrojas facilitaba el enfriamiento por radiación de sus ánodos incandescentes .
Debido a su resistencia física, el cuarzo fundido se utilizó en embarcaciones de buceo profundo, como la batisfera y el bentoscopio , y en las ventanas de naves espaciales tripuladas, incluidos el transbordador espacial y la Estación Espacial Internacional . [8] El cuarzo fundido también se utilizó en el desarrollo de armaduras compuestas . [9]
En la industria de los semiconductores, su combinación de resistencia, estabilidad térmica y transparencia UV lo convierte en un excelente sustrato para máscaras de proyección para fotolitografía .
Su transparencia UV también se utiliza como ventanas en EPROM ( memoria de solo lectura programable y borrable ), un tipo de chip de memoria no volátil que se borra mediante la exposición a una fuerte luz ultravioleta. Las EPROM son reconocibles por la ventana transparente de cuarzo fundido (aunque algunos modelos posteriores usan resina transparente a los rayos UV) que se encuentra en la parte superior del paquete, a través de la cual se ve el chip de silicio y que transmite luz ultravioleta para borrarlo. [10] [11]
Debido a su estabilidad térmica y composición, se utiliza en el almacenamiento de datos ópticos 5D [12] y en hornos de fabricación de semiconductores. [13] [14]
El cuarzo fundido tiene propiedades casi ideales para fabricar espejos de primera superficie , como los utilizados en los telescopios . El material se comporta de forma predecible y permite al fabricante óptico aplicar un pulido muy suave a la superficie y producir la figura deseada con menos iteraciones de prueba. En algunos casos, se ha utilizado un grado UV de alta pureza de cuarzo fundido para fabricar varios de los elementos individuales sin recubrimiento de lentes para fines especiales, incluido el Zeiss 105 mm f/4.3 UV Sonnar, un lente fabricado anteriormente para la cámara Hasselblad. y el objetivo Nikon UV-Nikkor 105 mm f/4.5 (actualmente vendido como Nikon PF10545MF-UV). Estas lentes se utilizan para fotografía UV, ya que el vidrio de cuarzo puede ser transparente en longitudes de onda mucho más cortas que las lentes fabricadas con fórmulas más comunes de vidrio de pedernal o corona .
El cuarzo fundido se puede metalizar y grabar para usarlo como sustrato en circuitos de microondas de alta precisión; su estabilidad térmica lo convierte en una buena opción para filtros de banda estrecha y aplicaciones exigentes similares. La constante dieléctrica más baja que la alúmina permite pistas de mayor impedancia o sustratos más delgados.
El cuarzo fundido como materia prima industrial se utiliza para fabricar diversas formas refractarias, como crisoles, bandejas, cubiertas y rodillos para muchos procesos térmicos de alta temperatura, incluida la fabricación de acero , la fundición a la cera perdida y la fabricación de vidrio. Las formas refractarias hechas de cuarzo fundido tienen una excelente resistencia al choque térmico y son químicamente inertes a la mayoría de los elementos y compuestos, incluidos prácticamente todos los ácidos, independientemente de su concentración, excepto el ácido fluorhídrico , que es muy reactivo incluso en concentraciones bastante bajas. Los tubos translúcidos de cuarzo fundido se utilizan comúnmente para revestir elementos eléctricos en calentadores de habitaciones , hornos industriales y otras aplicaciones similares.
Debido a su baja amortiguación mecánica a temperaturas normales, se utiliza para resonadores de alta Q , en particular, para resonadores de copa de vino o resonadores giroscópicos hemisféricos. [15] [16] Por la misma razón, el cuarzo fundido es también el material utilizado para los instrumentos de vidrio modernos, como el arpa de vidrio y el verrófono , y también se utiliza para las nuevas construcciones de la histórica armónica de vidrio , dando a estos instrumentos un mayor rango dinámico. y un sonido más claro que con el cristal de plomo utilizado históricamente .
La cristalería de cuarzo se utiliza ocasionalmente en laboratorios de química cuando el vidrio de borosilicato estándar no puede soportar altas temperaturas o cuando se requiere una alta transmisión de rayos UV. El coste de producción es significativamente mayor, lo que limita su uso; Generalmente se encuentra como un solo elemento básico, como un tubo en un horno, o como un matraz, elementos en exposición directa al calor.
El coeficiente extremadamente bajo de expansión térmica, aproximadamente5,5 × 10 −7 /K (20–320 °C), explica su notable capacidad para sufrir grandes y rápidos cambios de temperatura sin agrietarse (ver choque térmico ).
El cuarzo fundido es propenso a la fosforescencia y la " solarización " (decoloración violácea) bajo una intensa iluminación ultravioleta, como se ve a menudo en los tubos de flash . La sílice fundida sintética de "grado UV" (vendida con varios nombres comerciales, incluidos "HPFS", "Spectrosil" y "Suprasil") tiene un contenido de impurezas metálicas muy bajo, lo que la hace transparente más profundamente en el ultravioleta. Una óptica con un espesor de 1 cm tiene una transmitancia de alrededor del 50% a una longitud de onda de 170 nm, que cae a sólo un pequeño porcentaje a 160 nm. Sin embargo, su transmisión infrarroja está limitada por fuertes absorciones de agua a 2,2 µm y 2,7 µm.
El cuarzo fundido de "grado infrarrojo" (nombres comerciales "Infrasil", "Vitreosil IR" y otros), que está fusionado eléctricamente, tiene una mayor presencia de impurezas metálicas, lo que limita su longitud de onda de transmitancia UV a alrededor de 250 nm, pero un contenido de agua mucho menor. , lo que produce una excelente transmisión infrarroja de hasta 3,6 μm de longitud de onda. Todos los grados de cuarzo fundido/sílice fundido transparente tienen propiedades mecánicas casi idénticas.
La dispersión óptica del cuarzo fundido se puede aproximar mediante la siguiente ecuación de Sellmeier : [17]
donde la longitud de onda se mide en micrómetros. Esta ecuación es válida entre 0,21 y 3,71 μm y a 20 °C. [17] Su validez se confirmó para longitudes de onda de hasta 6,7 μm. [4] Kitamura et al. han revisado los datos experimentales para las partes real (índice de refracción) e imaginaria (índice de absorción) del índice de refracción complejo del cuarzo fundido reportado en la literatura en el rango espectral de 30 nm a 1000 μm . [4] y están disponibles en línea.
Su número de Abbe bastante alto de 67,8 lo convierte en uno de los vidrios de dispersión más baja en longitudes de onda visibles, además de tener un índice de refracción excepcionalmente bajo en el visible ( n d = 1,4585). Tenga en cuenta que el cuarzo fundido tiene un índice de refracción muy diferente y más bajo en comparación con el cuarzo cristalino , que es birrefringente con índices de refracción n o = 1,5443 y n e = 1,5534 en la misma longitud de onda. Aunque estas formas tienen la misma fórmula química, sus diferentes estructuras dan como resultado diferentes propiedades ópticas y físicas.
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