El vidrio es un sólido no cristalino que suele ser transparente , quebradizo y químicamente inerte. Tiene un uso práctico, tecnológico y decorativo generalizado, por ejemplo, en cristales de ventanas , vajillas y óptica .
El vidrio se forma con mayor frecuencia mediante enfriamiento rápido ( templado ) de la forma fundida ; Algunos vidrios, como el vidrio volcánico, se producen de forma natural. Los tipos de vidrio fabricados más familiares, e históricamente los más antiguos, son los "vidrios de silicato" basados en el compuesto químico sílice (dióxido de silicio o cuarzo ), el constituyente principal de la arena . El vidrio sodocálcico , que contiene alrededor del 70% de sílice, representa alrededor del 90% del vidrio fabricado. El término vidrio , en el uso popular, se utiliza a menudo para referirse únicamente a este tipo de material, aunque los vidrios sin sílice suelen tener propiedades deseables para aplicaciones en la tecnología de comunicaciones moderna. Algunos objetos, como los vasos para beber y las gafas , suelen estar hechos de vidrio a base de silicato que simplemente reciben su nombre por el nombre del material.
A pesar de ser frágil, el vidrio de silicato enterrado sobrevivirá durante períodos muy largos si no se lo perturba, y existen muchos ejemplos de fragmentos de vidrio de las primeras culturas vidrieras. La evidencia arqueológica sugiere que la fabricación de vidrio se remonta al menos al 3600 a. C. en Mesopotamia , Egipto o Siria . Los primeros objetos de vidrio conocidos fueron cuentas , quizás creadas accidentalmente durante el trabajo del metal o la producción de loza . Debido a su facilidad de conformabilidad en cualquier forma, el vidrio se ha utilizado tradicionalmente para recipientes, como cuencos , jarrones , botellas , tarros y vasos para beber. En sus formas más sólidas, también se ha utilizado para pisapapeles y canicas . El vidrio puede colorearse añadiendo sales metálicas o pintarse e imprimirse con esmaltes vítreos , lo que lleva a su uso en vidrieras y otros objetos de arte en vidrio . Las propiedades refractivas , reflectantes y de transmisión del vidrio lo hacen adecuado para la fabricación de lentes ópticas , prismas y materiales optoelectrónicos . Las fibras de vidrio extruidas tienen aplicación como fibras ópticas en redes de comunicaciones, como material aislante térmico cuando se enmarañan como lana de vidrio para atrapar aire o en plástico reforzado con fibra de vidrio ( fibra de vidrio ).
La definición estándar de vidrio (o sólido vítreo) es un sólido no cristalino formado por enfriamiento rápido en estado fundido . [1] [2] [3] [4] Sin embargo, el término "vidrio" a menudo se define en un sentido más amplio, para describir cualquier sólido no cristalino ( amorfo ) que exhibe una transición vítrea cuando se calienta hacia el estado líquido. [4] [5]
El vidrio es un sólido amorfo . Aunque la estructura a escala atómica del vidrio comparte características de la estructura de un líquido sobreenfriado , el vidrio exhibe todas las propiedades mecánicas de un sólido. [6] [7] [8] Como 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 limitaciones de los enlaces químicos , los vidrios poseen un alto grado de orden de corto alcance con respecto a los poliedros atómicos locales . [9] La idea de que el vidrio fluye en una medida apreciable durante largos períodos de tiempo muy por debajo de la temperatura de transición vítrea no está respaldada por investigaciones empíricas o análisis teóricos (ver viscosidad en sólidos ). Aunque se puede observar movimiento atómico en las superficies del vidrio [10] y se puede medir en vidrio una viscosidad del orden de 10 17 –10 18 Pa s, un valor tan alto refuerza el hecho de que el vidrio no cambiaría apreciablemente su forma incluso en superficies grandes. períodos de tiempo. [5] [11]
¿Cuál es la naturaleza de la transición entre un fluido o sólido regular y una fase vítrea? "El problema sin resolver más profundo e interesante de la teoría del estado sólido es probablemente la teoría de la naturaleza del vidrio y la transición vítrea". — PW Anderson [12]
Para el enfriamiento en estado fundido, si el enfriamiento es suficientemente rápido (en relación con el tiempo de cristalización característico ), entonces se evita la cristalización y, en cambio, la configuración atómica desordenada del líquido sobreenfriado se congela en estado sólido a Tg . La tendencia de un material a formar vidrio mientras se enfría se denomina capacidad de formación de vidrio. Esta capacidad puede predecirse mediante la teoría de la rigidez . [13] Generalmente, un vidrio existe en un estado estructuralmente metaestable con respecto a su forma cristalina , aunque en determinadas circunstancias, por ejemplo en polímeros atácticos , no existe un análogo cristalino de la fase amorfa. [14]
A veces se considera que el vidrio es un líquido debido a su falta de una transición de fase de primer orden [7] [15] 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. [2] Sin embargo, la teoría del equilibrio de las transformaciones de fase no es válida para el vidrio y, por lo tanto, la transición vítrea no puede clasificarse como una de las transformaciones de fase de equilibrio clásicas en sólidos. [4] [5]
El vidrio puede formarse naturalmente a partir de magma volcánico. La obsidiana es un vidrio volcánico común con alto contenido de sílice (SiO 2 ) que se forma cuando la lava félsica extruida de un volcán se enfría rápidamente. [16] La impactita es una forma de vidrio formada por el impacto de un meteorito , donde se encuentra la moldavita (que se encuentra en Europa central y oriental) y el vidrio del desierto de Libia (que se encuentra en zonas del Sahara oriental , los desiertos del este de Libia y el oeste de Egipto ). son ejemplos notables. [17] La vitrificación del cuarzo también puede ocurrir cuando un rayo cae sobre la arena , formando estructuras huecas y ramificadas en forma de raíces llamadas fulguritas . [18] 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 . [19] Se propone que el vidrio Edeowie , encontrado en el sur de Australia , se origina a partir de incendios de pastizales del Pleistoceno , rayos o impactos a hipervelocidad de uno o varios asteroides o cometas . [20]
Las sociedades de la Edad de Piedra utilizaban el vidrio de obsidiana natural , ya que se fractura en bordes muy afilados, lo que lo hace ideal para herramientas de corte y armas. [21] [22] La fabricación de vidrio se remonta al menos a 6000 años, mucho antes de que los humanos descubrieran cómo fundir el hierro. [21] La evidencia arqueológica sugiere que el primer vidrio verdaderamente sintético se fabricó en el Líbano y la costa norte de Siria , Mesopotamia o el antiguo Egipto . [23] [24] Los primeros objetos de vidrio conocidos, de mediados del tercer milenio a.C., fueron cuentas , tal vez creadas inicialmente como subproductos accidentales del trabajo de metales ( escorias ) o durante la producción de loza , un material vítreo anterior al vidrio hecho mediante un proceso similar al vidriado . [25] El vidrio antiguo rara vez era transparente y a menudo contenía impurezas e imperfecciones, [21] 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 de color rojo anaranjado extraídas de la civilización del valle del Indo que datan de antes de 1700 a. C. (posiblemente ya en 1900 a. C.) son anteriores a la producción sostenida de vidrio, que apareció alrededor de 1600 a. C. en Mesopotamia y 1500 a. C. en Egipto. [27] [28] Durante la Edad del Bronce Final hubo un rápido crecimiento en la tecnología de fabricación de vidrio en Egipto y Asia occidental . [23] Los hallazgos arqueológicos de este período incluyen lingotes , vasijas y cuentas de vidrio coloreado. [23] [29] Gran parte de la producción temprana de vidrio se basó en técnicas de pulido tomadas del trabajo de la piedra , como moler y tallar vidrio en estado frío. [30]
El término vidrio se desarrolló a finales del Imperio Romano . Fue en el centro romano de fabricación de vidrio en Trier (ubicado en la actual Alemania) donde se originó el término del latín 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 , el Medio Oriente y la India . [38] Los romanos perfeccionaron el vidrio camafeo , producido mediante grabado y tallado a través de capas fusionadas de diferentes colores para producir un diseño en relieve en el objeto de vidrio. [39]
En el África occidental posclásica , Benin era 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 este de la catedral de Gloucester . Con el cambio de estilo arquitectónico durante el período del Renacimiento en Europa, el uso de grandes vidrieras se volvió mucho menos frecuente, [42] aunque las vidrieras tuvieron un resurgimiento importante 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, basándose en técnicas medievales para producir coloridas piezas ornamentales en grandes cantidades. [39] Los fabricantes de vidrio de Murano desarrollaron el cristallo excepcionalmente claro e incoloro , llamado así por su parecido con el cristal natural, que se utilizaba ampliamente para ventanas, espejos, faroles de barcos y lentes. [21] En los siglos XIII, XIV y XV, el esmaltado y el dorado de vasijas 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, permaneciendo así hasta principios del siglo XX. En el siglo XVII también se producía en Inglaterra vidrio según la tradición veneciana . Aproximadamente en 1675, George Ravenscroft inventó el cristal de plomo , y el vidrio tallado se puso de moda en el siglo XVIII. [39] Los objetos de vidrio ornamentales se convirtieron en un importante medio artístico durante el período Art Nouveau a finales del siglo XIX. [39]
A lo largo del siglo XX, nuevas técnicas de producción en masa llevaron a una 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 emergiera del molde con la imagen ya en la superficie del vidrio. Esto redujo los costos de fabricación y, combinado con un uso más amplio de vidrio coloreado, condujo 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. , Inglaterra , desarrolló el proceso de vidrio flotado , produciendo láminas planas de vidrio de alta calidad y sin distorsiones flotando sobre estaño fundido . [21] 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 a los vehículos para los parabrisas. [48] El vidrio óptico para gafas se utiliza desde la Edad Media. [49] La producción de lentes se ha vuelto cada vez más competente, ayudando a los astrónomos [50] además de tener otras aplicaciones en la medicina y la ciencia. [51] El vidrio también se emplea como tapa 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 aplicación generalizada en pantallas táctiles para teléfonos inteligentes , tabletas y muchos otros tipos de dispositivos de información . Estos incluyen Gorilla Glass , desarrollado y fabricado por Corning , Dragontrail de AGC Inc. y Xensation de Schott AG . [53] [54] [55]
El vidrio se utiliza ampliamente en sistemas ópticos debido a su capacidad para refractar, reflejar y transmitir luz siguiendo la óptica geométrica . Las aplicaciones más comunes y antiguas del vidrio en óptica son lentes , ventanas , espejos y prismas . [56] Las propiedades ópticas clave , índice de refracción , dispersión y transmisión , del vidrio dependen en gran medida de la composición química y, en menor grado, de su historial térmico. [56] El vidrio óptico normalmente tiene 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 lentes de alta densidad (aumenta el índice de refracción) o de baja densidad. (el índice de refracción disminuye) aditivos. [57]
La transparencia del vidrio resulta de la ausencia de límites de grano que dispersan la luz de manera difusa en materiales policristalinos. [58] La semiopacidad debida a la cristalización se puede inducir en muchos vidrios manteniéndolos durante un largo período a una temperatura simplemente insuficiente para provocar la fusión. De esta forma se produce el material cristalino y desvitrificado, conocido como porcelana de vidrio de Réaumur. [44] [59] Aunque generalmente son 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 de 4 μm, los vidrios de fluoruro y calcogenuro de metales pesados son transparentes a 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 correspondientes a colores específicos. [60]
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En el proceso de fabricación, los vasos se pueden verter, formar, extruir y moldear en formas que van desde láminas planas hasta formas muy complejas. [61] El producto terminado es quebradizo, pero se puede laminar o templar para mejorar la durabilidad. [62] [63] El vidrio suele ser inerte, resistente al ataque químico y puede resistir en su mayor parte la acción del agua, lo que lo convierte en un material ideal para la fabricación de recipientes para alimentos y la mayoría de productos químicos. [21] [64] [65] Sin embargo, aunque suele ser muy resistente al ataque químico, el vidrio se corroe o se disuelve en algunas condiciones. [64] [66] Los materiales que componen una composición de vidrio particular tienen un efecto sobre la rapidez 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 según la composición química, con valores que van desde 2,2 gramos por centímetro cúbico (2200 kg/m 3 ) para la sílice fundida hasta 7,2 gramos por centímetro cúbico (7200 kg/m 3 ) para el vidrio denso de pedernal. [69] El vidrio es más fuerte que la mayoría de los metales, con una resistencia a la tracción teórica para un vidrio puro e impecable estimada en 14 a 35 gigapascales (2.000.000 a 5.100.000 psi) debido a su capacidad de sufrir compresión reversible sin fractura. Sin embargo, la presencia de rayones, 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]
La observación de que a veces las ventanas antiguas son más gruesas en la parte inferior que en la superior se ofrece a menudo como evidencia que respalda la opinión de que el vidrio fluye a lo largo de una escala de tiempo de siglos, siendo la suposición que el vidrio ha exhibido la propiedad líquida de fluir de una forma a otra. [71] Esta suposición es incorrecta, ya que una vez solidificado, el vidrio deja de fluir. Las combaduras y ondulaciones que se observan en el vidrio viejo ya estaban ahí el día en que se fabricó; Los procesos de fabricación utilizados en el pasado produjeron láminas con superficies imperfectas y espesores no uniformes (el vidrio flotado casi perfecto que se utiliza hoy en día sólo se generalizó en los años 1960). [7]
Un estudio de 2017 calculó la tasa de flujo del vidrio medieval utilizado en la Abadía de Westminster desde el año 1268. El estudio encontró que la viscosidad a temperatura ambiente de este vidrio era aproximadamente 10,24 Pa · s , que es aproximadamente 10,16 veces menos viscosa que un anterior. estimación realizada en 1998, que se centró en el vidrio de silicato sodocálcico. Incluso con esta menor viscosidad, los autores del estudio calcularon que el caudal máximo del vidrio medieval es de 1 nm por mil millones de años, lo que hace imposible observarlo en una escala de tiempo humana. [72] [73]
El dióxido de silicio (SiO 2 ) es un componente fundamental común del vidrio. El cuarzo fundido es un vidrio elaborado a partir de sílice químicamente pura. [68] Tiene una expansión térmica muy baja y una excelente resistencia al choque térmico , pudiendo sobrevivir la inmersión en agua mientras está al rojo vivo, resiste altas temperaturas (1000-1500 °C) y la intemperie química, y es muy duro. También es transparente en un rango espectral más amplio que el vidrio ordinario, extendiéndose desde lo visible hasta los rangos UV e IR , y a veces se utiliza cuando es necesaria la transparencia en 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 su viscosidad hacen que sea difícil trabajar con él. Por lo tanto, normalmente se añaden otras sustancias (fundentes) para reducir la temperatura de fusión y simplificar el procesamiento del vidrio. [75]
El carbonato de sodio (Na 2 CO 3 , "soda") es un aditivo común y actúa para reducir la temperatura de transición vítrea. Sin embargo, el silicato de sodio es soluble en agua , por lo que comúnmente se agrega cal (CaO, óxido de calcio , generalmente obtenido de la piedra caliza ), junto con óxido de magnesio (MgO) y óxido de aluminio (Al 2 O 3 ), para mejorar la durabilidad química. Los vidrios sodocálcicos (Na 2 O ) + cal (CaO) + magnesia (MgO) + alúmina (Al 2 O 3 ) representan más del 75% del vidrio fabricado y contienen alrededor del 70 al 74% de sílice en peso. [68] [76] El vidrio de silicato de soda-cal es transparente, se forma fácilmente y es más adecuado para vidrios de ventanas y vajillas. [77] Sin embargo, tiene una alta expansión térmica y poca resistencia al calor. [77] El vidrio sodocálcico se utiliza normalmente para ventanas , botellas , bombillas y frascos . [75]
Los vidrios de borosilicato (p. ej. , Pyrex , Duran ) suelen contener entre un 5 y un 13 % de trióxido de boro (B 2 O 3 ). [75] Los vidrios de borosilicato tienen coeficientes de expansión térmica bastante bajos (7740 Pyrex CTE es 3,25 × 10−6 /°C [78] en comparación con aproximadamente 9 × 10−6 /°C para un vaso típico de cal sodada [79] ). Por lo tanto, están menos sujetos a la tensión causada por la expansión térmica y, por lo tanto, menos vulnerables al agrietamiento por choque térmico . Se utilizan habitualmente, por ejemplo, para material de laboratorio , utensilios de cocina domésticos y faros de coche con haz sellado . [75]
La adición de óxido de plomo (II) al vidrio de silicato reduce el punto de fusión y la viscosidad de la masa fundida. [80] La alta densidad del vidrio de plomo (sílice + óxido de plomo (PbO) + óxido de potasio (K 2 O) + soda (Na 2 O) + óxido de zinc (ZnO) + alúmina) da como resultado una alta densidad de electrones y, por lo tanto, alto índice de refracción, lo que hace que el aspecto de la cristalería sea más brillante y provoca una reflexión notablemente más especular y una mayor dispersión óptica . [68] [81] El vidrio de plomo tiene una alta elasticidad, lo que hace que la cristalería sea más trabajable y da lugar a un sonido claro de "anillo" cuando se golpea. Sin embargo, el vidrio al plomo no soporta bien las altas temperaturas. [74] El óxido de plomo también facilita la solubilidad de otros óxidos metálicos y se utiliza en vidrio coloreado. La disminución de la viscosidad del vidrio fundido al plomo es muy significativa (aproximadamente 100 veces en comparación con el vidrio de soda); esto permite eliminar más fácilmente las burbujas y trabajar a temperaturas más bajas, de ahí su uso frecuente como aditivo en esmaltes vítreos y soldaduras de vidrio . El alto radio iónico del ion Pb 2+ lo vuelve altamente inmóvil y dificulta el movimiento de otros iones; Por lo tanto, los vidrios de plomo tienen una alta resistencia eléctrica, aproximadamente dos órdenes de magnitud mayor que el vidrio sodocálcico (10 8,5 frente a 10 6,5 Ω⋅cm, CC a 250 °C). [82]
El vidrio de aluminosilicato normalmente contiene entre un 5% y un 10% de alúmina (Al 2 O 3 ). El vidrio de aluminosilicato tiende a ser más difícil de fundir y moldear en comparación con las composiciones de borosilicato, pero tiene una excelente resistencia térmica y durabilidad. [75] El vidrio de aluminosilicato se utiliza ampliamente para la fibra de vidrio , [83] se utiliza para fabricar plásticos reforzados con vidrio (barcos, cañas de pescar, etc.), utensilios de cocina para la parte superior de las estufas y vidrio para bombillas halógenas. [74] [75]
La adición de bario también aumenta el índice de refracción. El óxido de torio confiere al vidrio un alto índice de refracción y una baja dispersión y se utilizaba antiguamente para producir lentes de alta calidad, pero debido a su radiactividad ha sido sustituido por óxido de lantano en los anteojos modernos. [84] El hierro se puede incorporar al vidrio para absorber la radiación infrarroja , por ejemplo en filtros absorbentes de calor para proyectores de películas, mientras que el óxido de cerio (IV) se puede utilizar para el vidrio que absorbe 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 como aislante en la fabricación de circuitos integrados . [86]
Los materiales vitrocerámicos contienen fases de vidrio no cristalino y cerámica cristalina . Se forman por nucleación controlada y cristalización parcial de un vidrio base mediante tratamiento térmico. [87] Los granos cristalinos a menudo están incrustados dentro de una fase intergranular no cristalina de los límites de los granos . 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 la vitrocerámica es su impermeabilidad al choque térmico. Así, la vitrocerámica se ha vuelto extremadamente útil para la cocción en encimera y en procesos industriales. El coeficiente de expansión térmica (CTE) negativo de la fase cerámica cristalina se puede equilibrar con el CTE positivo de la fase vítrea. En cierto punto (~70% cristalino), la vitrocerámica tiene un CTE neto cercano a cero. Este tipo de vitrocerámica presenta excelentes propiedades mecánicas y puede soportar cambios de temperatura rápidos y repetidos hasta 1000 °C. [88] [87]
La fibra de vidrio (también llamada plástico reforzado con fibra de vidrio, GRP) es un material compuesto que se obtiene reforzando una resina plástica con fibras de vidrio . Se fabrica fundiendo vidrio y estirándolo hasta convertirlo en fibras. Estas fibras se tejen juntas formando una tela y se dejan reposar en una resina plástica. [89] [90] [91] La fibra de vidrio tiene las propiedades de ser liviana y resistente a la corrosión, y es un buen aislante que permite su uso como material aislante de edificios y para carcasas electrónicas para 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 . Los usos de la fibra de vidrio incluyen materiales de construcción, cascos de embarcaciones, partes de carrocerías 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 (por ejemplo, aislamiento de paredes de áticos y cavidades ), plomería (por ejemplo, aislamiento de tuberías ) e insonorización . [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 utilizando una corriente 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]
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 ), antimonatos ( 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 muchos otras sustancias. [5] Algunos de estos vidrios (por ejemplo, dióxido de germanio (GeO 2 , Germania), en muchos aspectos un análogo estructural de los vidrios de sílice, fluoruro , aluminato , fosfato , borato y calcogenuro ) tienen propiedades fisicoquímicas útiles para su aplicación en fibra . -guías de ondas ópticas en redes de comunicación y otras aplicaciones tecnológicas especializadas. [94] [95]
Los vidrios sin sílice a menudo pueden tener malas tendencias a la formación de vidrio. Se pueden utilizar técnicas novedosas, incluido el procesamiento sin contenedores mediante levitación aerodinámica (enfriar la masa fundida mientras flota en una corriente de gas) o enfriamiento por salpicaduras (presionar la masa fundida entre dos yunques o rodillos metálicos), para aumentar la velocidad de enfriamiento o reducir los desencadenantes de la nucleación de los cristales. . [96] [97] [98]
En el pasado, se producían pequeños lotes de metales amorfos con configuraciones de área superficial alta (cintas, alambres, películas, etc.) mediante la implementación de velocidades de enfriamiento extremadamente rápidas. Se han producido alambres de metal amorfo pulverizando metal fundido sobre un disco de metal giratorio. [99] [100]
Se han producido varias aleaciones en capas con un espesor superior a 1 milímetro. Se conocen como vidrios metálicos a granel (BMG). Liquidmetal Technologies vende varios BMG a base de circonio .
También se han producido lotes de acero amorfo que demuestran propiedades mecánicas muy superiores a las encontradas en las aleaciones de acero convencionales. [101]
La evidencia experimental indica que el sistema Al-Fe-Si puede sufrir una transición de primer orden a una forma amorfa (denominada "vidrio q") al enfriarse rápidamente desde la masa fundida. Las imágenes de microscopía electrónica de transmisión (TEM) indican que el vidrio q se nuclea a partir de la masa fundida 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 el vidrio y las fases fundidas. [102] [103]
Los vidrios poliméricos importantes 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 productos farmacéuticos emergentes son prácticamente insolubles en sus formas cristalinas. [104] Muchos termoplásticos poliméricos conocidos por el uso cotidiano son vasos. Para muchas aplicaciones, como botellas de vidrio o gafas , los vasos de polímero ( vidrio acrílico , policarbonato o tereftalato de polietileno ) son una alternativa más ligera al vidrio tradicional. [105]
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 sólo a través de fuerzas débiles de van der Waals o mediante enlaces de hidrógeno transitorios . En una mezcla de tres o más especies iónicas de tamaño y forma diferentes, la cristalización puede ser tan difícil que el líquido se puede sobreenfriar fácilmente hasta convertirlo en un vaso. [106] [107] Los 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] azúcar glass , [109] o Ca 0,4 K 0,6 (NO 3 ) 1,4 . [110] Se han propuesto electrolitos de vidrio en forma de vidrio de Li dopado con Ba y vidrio de Na dopado con Ba como soluciones a los problemas identificados con los electrolitos líquidos orgánicos utilizados en las modernas celdas de baterías de iones de litio. [111]
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Después de la preparación y mezcla del lote de vidrio , las materias primas se transportan al horno. El vidrio sodocálcico para la producción en masa se funde en hornos de fusión de vidrio . Los hornos de menor escala para vidrios especiales incluyen fusores eléctricos, hornos de crisol y tanques diurnos. [76] Después de la fusión, homogeneización y refinación (eliminación de burbujas), se forma el vidrio . Esto se puede lograr manualmente mediante soplado de vidrio , que implica reunir una masa de vidrio caliente semifundido, inflarla en una burbuja usando una cerbatana hueca y darle la forma requerida soplando, balanceando, rodando o moldeando. Mientras está caliente, el vidrio se puede trabajar con herramientas manuales, cortar con cizallas y piezas adicionales como mangos o patas unidas 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 los 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 libremente bajo la influencia de la gravedad. La superficie superior del vidrio se somete a presión de nitrógeno 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 que se obtiene la forma deseada, el vidrio generalmente se recoce para eliminar tensiones y aumentar la dureza y durabilidad del vidrio. [116] Pueden seguir tratamientos superficiales, recubrimientos o laminaciones para mejorar la durabilidad química ( recubrimientos de recipientes de vidrio , tratamiento interno de recipientes de vidrio ), resistencia ( vidrio templado , vidrio a prueba de balas , parabrisas [117] ) o propiedades ópticas ( vidrios aislantes , anti- revestimiento reflectante ). [118]
Inicialmente se pueden investigar nuevas composiciones químicas de vidrio o nuevas técnicas de tratamiento en experimentos de laboratorio a pequeña escala. Las materias primas para el vidrio fundido a escala de laboratorio suelen ser diferentes de las utilizadas en la producción en masa porque el factor coste tiene baja prioridad. En el laboratorio se utilizan principalmente productos químicos puros. Se debe tener cuidado de que las materias primas no hayan reaccionado con la humedad u otros químicos del ambiente (como óxidos e hidróxidos de metales alcalinos o alcalinotérreos , u óxido de boro ), o que las impurezas estén cuantificadas (pérdida por ignición). [119] Las pérdidas por evaporación durante la fusión del vidrio deben considerarse durante la selección de las materias primas; por ejemplo, puede preferirse el selenito de sodio al dióxido de selenio (SeO 2 ) que se evapora fácilmente. Además, pueden preferirse las materias primas que reaccionan más fácilmente a las relativamente inertes , como el hidróxido de aluminio ( Al(OH) 3 ) sobre la alúmina (Al2O3 ) . 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 suele recocerse para evitar roturas durante el procesamiento. [119] [120]
El color del vidrio se puede obtener mediante la adición de iones cargados eléctricamente distribuidos homogéneamente (o centros de color ). Mientras que el vidrio sodocálcico ordinario parece incoloro en secciones delgadas, las impurezas de óxido de hierro (II) (FeO) producen un tinte verde en secciones gruesas. [121] Se puede añadir dióxido de manganeso (MnO 2 ), que da al vidrio un color púrpura, para eliminar el tinte verde dado por el FeO. [122] En la producción de botellas verdes se utilizan aditivos FeO y óxido de cromo (III) (Cr 2 O 3 ). [121] El óxido de hierro (III) , por el contrario, produce vidrio de color amarillo o marrón amarillento. [123] Bajas concentraciones (0,025 a 0,1%) de óxido de cobalto (CoO) producen un vidrio de cobalto rico y de color azul intenso . [124] El cromo es un agente colorante muy potente que produce un color verde oscuro. [125] El azufre combinado con sales de carbono y hierro produce un vidrio de color ámbar que va desde el amarillento hasta casi el negro. [126] Un vidrio fundido también puede adquirir un color ámbar debido a una atmósfera de combustión reductora. [127] El sulfuro de cadmio produce rojo imperial y, combinado con selenio, puede producir tonos de amarillo, naranja y rojo. [121] [123] El aditivo 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 rojo marrón opaco. [128]
El vidrio en láminas de soda-cal se utiliza normalmente como material de acristalamiento transparente , normalmente como ventanas en las paredes exteriores de los edificios. Los productos de vidrio flotado o laminado se cortan a medida ya sea rayando y partiendo el material, corte por láser , chorros de agua o sierra de hoja de diamante . El vidrio puede templarse (reforzarse) térmica o químicamente para mayor seguridad y doblarse o curvarse durante el calentamiento. Se pueden agregar recubrimientos superficiales para funciones específicas como resistencia al rayado, bloqueo de longitudes de onda específicas de luz (por ejemplo, infrarroja o ultravioleta ), repelencia a la suciedad (por ejemplo, vidrio autolimpiante ) o recubrimientos electrocrómicos conmutables. [129]
Los sistemas de acristalamiento estructural representan una de las innovaciones arquitectónicas más importantes de los tiempos modernos, donde los edificios de vidrio ahora suelen dominar los horizontes de muchas ciudades modernas . [130] Estos sistemas utilizan accesorios de acero inoxidable avellanados en huecos en las esquinas de los paneles de vidrio, lo que permite que los paneles reforzados parezcan sin soporte, creando un exterior al ras. [130] Los sistemas de acristalamiento estructural tienen sus raíces en los invernaderos de hierro y vidrio del siglo XIX [131]
El vidrio es un componente esencial de la vajilla y normalmente se utiliza para vasos de agua, cerveza y vino . [51] Las copas de vino suelen ser copas , es decir, copas formadas por un cuenco, un tallo y un pie. El cristal o el cristal de plomo se pueden cortar y pulir para producir vasos decorativos con facetas brillantes. [132] [133] Otros usos del vidrio en vajillas incluyen jarras , jarras , platos y tazones . [51]
La naturaleza inerte e impermeable del vidrio lo convierte en un material estable y ampliamente utilizado para envases de alimentos y bebidas, como botellas y frascos de vidrio . La mayor parte del vidrio para envases es vidrio sodocálcico , 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 imparte una durabilidad química ligeramente mayor frente al agua, lo que resulta ventajoso para almacenar bebidas y alimentos. Los envases de vidrio son sostenibles, fácilmente reciclables, reutilizables y recargables. [135]
Para aplicaciones electrónicas, el vidrio se puede utilizar como sustrato en la fabricación de dispositivos pasivos integrados , resonadores acústicos masivos de película delgada y como material de sellado hermético en el embalaje de dispositivos, [136] [137] incluida una encapsulación muy delgada basada exclusivamente en vidrio de circuitos integrados y otros semiconductores en grandes volúmenes de fabricación. [138]
El vidrio es un material importante en los laboratorios científicos para la fabricación de aparatos experimentales porque es relativamente barato, se le da fácilmente la forma requerida para el experimento, es fácil de mantener limpio, puede soportar tratamientos con 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 cristalería de laboratorio incluyen matraces , placas de Petri , tubos de ensayo , pipetas , probetas graduadas , recipientes metálicos revestidos de vidrio para procesamiento químico, columnas de fraccionamiento , tubos de vidrio, líneas Schlenk , medidores 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 expertos para fabricar aparatos de vidrio a medida para sus requisitos experimentales. [142]
El vidrio es un material omnipresente en óptica en virtud de su capacidad para refractar , reflejar y transmitir luz. Estas y otras propiedades ópticas pueden controlarse variando las composiciones químicas, el tratamiento térmico y las técnicas de fabricación. Las numerosas aplicaciones del vidrio en óptica incluyen gafas para la corrección de la vista, óptica de imágenes (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) encuentran aplicación, por ejemplo, en la lectura de discos ópticos , impresoras láser , fotocopiadoras y diodos láser . [56]
El vidrio como arte data al menos del 1300 a. C. y se muestra como un ejemplo de vidrio natural encontrado en el pectoral de Tutankamón, [143] que también contenía esmalte vítreo , es decir, vidrio coloreado fundido utilizado sobre un soporte metálico. El vidrio esmaltado , la decoración de vasijas de vidrio con pinturas de vidrio de colores, existe desde 1300 a. C., [144] y destacó a principios del siglo XX con el vidrio Art Nouveau y el de la Casa de Fabergé en San Petersburgo, Rusia. Ambas técnicas se utilizaron en vidrieras , que alcanzaron su apogeo aproximadamente entre 1000 y 1550, antes de un resurgimiento en el siglo XIX.
El siglo XIX vio un resurgimiento de las antiguas técnicas de fabricación de vidrio, incluido el vidrio camafeo , logrado por primera vez desde el Imperio Romano, inicialmente principalmente 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 en vidrio camafeo o en técnicas de vidrio brillante . [145]
Louis Comfort Tiffany en América se especializó en vidrieras , tanto profanas como religiosas, en paneles y en sus famosas lámparas. A principios del siglo XX se produjo la producción industrial a gran escala de arte en vidrio por parte de empresas como Waterford y Lalique . Los pequeños estudios pueden producir obras de arte en vidrio a mano. Las técnicas para producir arte en vidrio incluyen soplado , fundición en horno, fusión, caída, pâte de verre , trabajo con llama, escultura en caliente y trabajo en frío. El trabajo en frío incluye el trabajo tradicional con 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 . [146]
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