El vidrio es un sólido amorfo ( no cristalino ). Debido a que suele ser transparente y químicamente inerte, el vidrio ha encontrado un uso práctico, tecnológico y decorativo generalizado en cristales de ventanas , vajillas y productos ópticos . Algunos objetos comunes hechos de vidrio, como "un vaso" de agua, " gafas " y " lupa ", reciben su nombre del material.
El vidrio se forma con mayor frecuencia mediante un enfriamiento rápido ( templado ) de la forma fundida . Algunos vidrios, como el vidrio volcánico, se producen de forma natural, y la obsidiana se ha utilizado para hacer 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 primeros objetos de vidrio conocidos fueron cuentas , tal vez creadas accidentalmente durante la metalurgia o la producción de loza , que es una forma de cerámica que utiliza esmaltes de plomo.
Debido a su facilidad para moldearse en cualquier forma, el vidrio se ha utilizado tradicionalmente para recipientes, como cuencos , jarrones , botellas , jarras y vasos para beber. El vidrio sódico-cálcico , que contiene alrededor de un 70% de sílice , representa alrededor del 90% del vidrio fabricado en la actualidad. El vidrio se puede colorear añadiéndole sales metálicas o pintar e imprimir con esmaltes vítreos , lo que da lugar 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 aplicaciones como fibras ópticas en redes de comunicaciones, como material de aislamiento térmico cuando se las enreda como lana de vidrio para atrapar el aire, o en plástico reforzado con fibra de vidrio ( fibra de vidrio ).
La definición estándar de un vidrio (o sólido vítreo) es un sólido no cristalino formado por enfriamiento rápido de la masa fundida . [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 superenfriado , el vidrio exhibe todas las propiedades mecánicas de un sólido. [6] [7] [8] Al igual que en otros sólidos amorfos , la estructura atómica de un vidrio carece de la periodicidad de largo alcance observada en 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 . [9] 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 o el análisis teórico (ver viscosidad en sólidos ). Aunque se puede observar el movimiento atómico en las superficies del vidrio, [10] 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. [5] [11]
Para el enfriamiento rápido, 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 superenfriado se congela en el estado sólido a T g . La tendencia de un material a formar un vidrio mientras se enfría se denomina capacidad de formación de vidrio. Esta capacidad se puede predecir mediante la teoría de la rigidez . [13] 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. [14]
El vidrio a veces se considera 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 a lo largo del 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 se aplica al 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 se puede formar de forma natural a partir del magma volcánico. La obsidiana es un vidrio volcánico común con un 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 la moldavita (que se encuentra en Europa central y oriental) y el vidrio del desierto libio (que se encuentra en áreas del este del Sahara , 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 similares a raíces llamadas fulguritas . [18] La trinitita es un residuo vítreo formado a partir de la arena del suelo del desierto en el sitio de pruebas de la bomba nuclear Trinity . [19] Se propone que el vidrio de Edeowie , que se encuentra 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 vidrio de obsidiana natural , ya que se fractura a lo largo de bordes muy afilados, lo que lo hace ideal para cortar herramientas y armas. [21] [22]
La fabricación de vidrio se remonta al menos a 6000 años atrás, mucho antes de que los humanos descubrieran cómo fundir el hierro. [21] 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 . [23] [24] Los primeros objetos de vidrio conocidos, de mediados del tercer milenio a. C., fueron cuentas , quizás creadas inicialmente como subproductos accidentales del trabajo de los metales ( escorias ) o durante la producción de loza , un material vítreo pre-vidrio elaborado mediante un proceso similar al esmaltado . [25]
El vidrio primitivo 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 excavadas en la civilización del valle del Indo que datan de antes de 1700 a. C. (posiblemente tan temprano como 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 Tardío , 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 dependía de técnicas de pulido tomadas de la cantería , como el pulido y tallado del vidrio en frío. [30]
El término vidrio tiene su origen en el Imperio Romano tardío , en el centro de fabricación de vidrio romano en Trier (ubicado en la actual Alemania), donde se originó el término glesum en latín tardío , 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] el Báltico , Oriente Medio e 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 , Benín 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 de asentamientos como de cementerios. [41] Desde el siglo X en adelante, 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 , 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 renacimiento 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 piezas ornamentales coloridas en grandes cantidades. [39] Los fabricantes de vidrio de Murano desarrollaron el excepcionalmente claro e incoloro cristallo , llamado así por su parecido con el cristal natural, que se utilizó ampliamente para ventanas, espejos, linternas de barcos y lentes. [21] En los siglos XIII, XIV y XV, el esmaltado y el dorado de los 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, permaneciendo así hasta principios del siglo XX. En el siglo XVII, el vidrio de tradición veneciana también se producía en Inglaterra . Alrededor de 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 medio artístico importante durante el período Art Nouveau a fines 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, haciéndolo práctico como material de construcción y permitiendo 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 para 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 conocería 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 sin distorsión al flotar sobre estaño fundido . [21] Los edificios modernos de varios pisos se construyen con frecuencia con muros cortina hechos casi en su totalidad de vidrio. [47] El vidrio laminado se ha aplicado ampliamente a los 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] y teniendo otras aplicaciones en la medicina y la 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 aplicación generalizada en pantallas táctiles de teléfonos inteligentes , tabletas y muchos otros tipos de dispositivos de información . Entre ellos se incluyen Gorilla Glass , desarrollado y fabricado por Corning , Dragontrail de AGC Inc. y Xensation de Schott AG . [53] [54] [55]
El vidrio se usa ampliamente en sistemas ópticos debido a su capacidad de refractar, reflejar y transmitir luz siguiendo 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, 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 aditivos de alta densidad (el índice de refracción aumenta) o de baja densidad (el índice de refracción disminuye). [57]
La transparencia del vidrio resulta de la ausencia de límites de grano que dispersan difusamente la luz en materiales policristalinos. [58] La semiopacidad debido a la cristalización puede inducirse en muchos vidrios manteniéndolos durante un largo período a una temperatura apenas insuficiente para provocar 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 longitudes de onda infrarrojas con un corte de transmisión a 4 μm, los vidrios de fluoruro de metal pesado y calcogenuro 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 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 la durabilidad. [62] [63] El vidrio es típicamente inerte, resistente al ataque químico y puede soportar en su mayoría la acción del agua, lo que lo convierte en un material ideal para la fabricación de recipientes para alimentos y la mayoría de los productos químicos. [21] [64] [65] Sin embargo, aunque por lo general es 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 afectan 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 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 de pedernal denso. [69] El vidrio es más fuerte 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 sufrir compresión reversible sin fracturarse. Sin embargo, la presencia de rayones, burbujas y otros defectos microscópicos conducen 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 cuidadosamente estiradas y sin defectos con una resistencia de hasta 11,5 gigapascales (1.670.000 psi). [60]
La observación de que las ventanas antiguas a veces son más gruesas en la parte inferior que en la superior se suele ofrecer como prueba de apoyo a la idea de que el vidrio fluye a lo largo de una escala de tiempo de siglos, suponiendo 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 combas y ondulaciones observadas en el vidrio antiguo ya estaban allí el día en que se fabricó; los procesos de fabricación utilizados en el pasado producían láminas con superficies imperfectas y un espesor no uniforme (el vidrio flotado casi perfecto que se utiliza hoy en día solo se generalizó en la década de 1960). [7]
Un estudio de 2017 calculó la velocidad de flujo del vidrio medieval utilizado en la Abadía de Westminster a partir del año 1268. El estudio descubrió que la viscosidad a temperatura ambiente de este vidrio era de aproximadamente 10 24 Pa · s , lo que es aproximadamente 10 16 veces menos viscoso que una estimación anterior realizada en 1998, que se centró en el vidrio de silicato sódico-cálcico. Incluso con esta viscosidad más baja, los autores del estudio calcularon que la velocidad máxima de flujo del vidrio medieval es de 1 nm por mil millones de años, lo que hace que sea imposible de observar 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 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 mientras está al rojo vivo, resiste altas temperaturas (1000–1500 °C) y a la intemperie química, y es muy duro. También es transparente a un rango espectral más amplio que el vidrio ordinario, extendiéndose desde el visible hasta los rangos UV e IR , y a veces se usa donde es necesaria la transparencia a estas longitudes de onda. El cuarzo fundido se usa 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 dificultan su trabajo. Por lo tanto, normalmente, se agregan otras sustancias (fundentes) para reducir la temperatura de fusión y simplificar el procesamiento del vidrio. [75]
El carbonato de sodio ( Na2CO3 , "sosa") 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 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 cal sódica (Na2O ) + cal (CaO) + magnesia (MgO) + alúmina (Al2O3 ) representan más del 75% del vidrio fabricado, que contiene aproximadamente entre un 70 y un 74% de sílice en peso. [ 68] [76] El vidrio de silicato sódico-cálcico es transparente, se forma fácilmente y es más adecuado para vidrio de ventana y vajilla. [ 77] Sin embargo, tiene una alta expansión térmica y poca resistencia al calor. [77] El vidrio sódico-cálcico se usa típicamente para ventanas , botellas , bombillas y frascos . [75]
Los vidrios de borosilicato (por ejemplo, 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 El CTE de Pyrex es 3,25 × 10−6 /°C [78] en comparación con aproximadamente 9 × 10−6 /°C para un vidrio sódico-cálcico típico [79] ). Por lo tanto, están menos sujetos a la tensión causada por la expansión térmica y, por lo tanto, son menos vulnerables al agrietamiento por choque térmico . Se utilizan comúnmente, por ejemplo, para material de laboratorio , utensilios de cocina domésticos y faros de automóviles 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) + sosa (Na 2 O) + óxido de zinc (ZnO) + alúmina) da como resultado una alta densidad de electrones y, por lo tanto, un alto índice de refracción, lo que hace que el aspecto 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 trabajable y da lugar a 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 coloreado. La disminución de la viscosidad de la masa fundida de vidrio de plomo es muy significativa (aproximadamente 100 veces en comparación con el vidrio de soda); Esto permite una eliminación más fácil de 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 más alta que el vidrio sódico-cálcico (10 8,5 frente a 10 6,5 Ω⋅cm, CC a 250 °C). [82]
El vidrio de aluminosilicato contiene típicamente entre un 5 y un 10 % de alúmina (Al2O3 ) . 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 usa ampliamente para fibra de vidrio , [83] se usa para fabricar plásticos reforzados con vidrio (botes, cañas de pescar, etc.), utensilios de cocina para estufas y vidrio para bombillas halógenas. [74] [75]
La adición de bario también aumenta el índice de refracción. El óxido de torio le da al vidrio un alto índice de refracción y baja dispersión y antes se usaba para producir lentes de alta calidad, pero debido a su radiactividad ha sido reemplazado por óxido de lantano en las gafas modernas. [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 usar para 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 usan en la fabricación de circuitos integrados como aislante. [86]
Los materiales vitrocerámicos contienen tanto fases de vidrio no cristalino como de cerámica cristalina . Se forman mediante nucleación controlada y cristalización parcial de un vidrio base mediante tratamiento térmico. [87] Los granos cristalinos suelen estar incrustados dentro de una fase intergranular no cristalina de límites de grano . Los materiales vitrocerámicos 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 impermeabilidad al choque térmico. Por ello, las vitrocerámicas se han vuelto extremadamente útiles para la cocina en encimeras y para 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 un punto determinado (~70% cristalino), la vitrocerámica tiene un CTE neto cercano a cero. Este tipo de vitrocerámica exhibe excelentes propiedades mecánicas y puede soportar cambios de temperatura rápidos y repetidos de hasta 1000 °C. [88] [87]
La fibra de vidrio (también llamada plástico reforzado con fibra de vidrio, GRP) es un material compuesto que se fabrica reforzando una resina plástica con fibras de vidrio . Se fabrica fundiendo vidrio y estirándolo hasta 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 tiene las propiedades de ser liviana y resistente a la corrosión y es un buen aislante que permite su uso como material de aislamiento 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 barcos, 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 áticos y paredes con cámara ), plomería (por ejemplo, aislamiento de tuberías ) y aislamiento acústico . [92] Se produce al forzar el 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 basados en sílice, muchos otros materiales inorgánicos y orgánicos también pueden formar vidrios, incluidos metales , aluminatos , fosfatos , boratos , calcogenuros , fluoruros , germanatos (vidrios basados en GeO 2 ), teluritos (vidrios basados en TeO 2 ), antimonatos (vidrios basados en Sb 2 O 3 ), arseniatos (vidrios basados en As 2 O 3 ), titanatos (vidrios basados en TiO 2 ), tantalatos (vidrios basados en Ta 2 O 5 ), nitratos , carbonatos , plásticos , acrílicos y muchas otras sustancias. [5] Algunos de estos vidrios (por ejemplo, el 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 guías de ondas de fibra óptica en redes de comunicación y otras aplicaciones tecnológicas especializadas. [94] [95]
Los vidrios sin sílice suelen tener una mala tendencia a la formación de vidrio. Se pueden utilizar técnicas novedosas, incluido el procesamiento sin recipientes mediante levitación aerodinámica (enfriamiento de la masa fundida mientras flota en una corriente de gas) o enfriamiento por salpicadura (presionando la masa fundida entre dos yunques o rodillos de metal), para aumentar la velocidad de enfriamiento o reducir los factores desencadenantes de la nucleación de cristales. [96] [97] [98]
En el pasado, se han producido lotes pequeños de metales amorfos con configuraciones de gran área superficial (cintas, cables, películas, etc.) mediante la implementación de velocidades de enfriamiento extremadamente rápidas. Los cables de metal amorfo se han producido pulverizando metal fundido sobre un disco metálico giratorio. [99] [100]
Se han producido varias aleaciones en capas con espesores superiores a 1 milímetro, conocidas 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 que superan con creces las encontradas 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") 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 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 de masa fundida. [102] [103]
Entre los vidrios poliméricos más importantes se encuentran los 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 de uso cotidiano son los vidrios. Para muchas aplicaciones, como botellas de vidrio o anteojos , los vidrios poliméricos ( 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 solo a través de fuerzas de van der Waals débiles o 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 puede sobreenfriarse fácilmente hasta convertirse en un vidrio. [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] vidrio de azúcar , [109] o Ca 0,4 K 0,6 (NO 3 ) 1,4 . [110] Los electrolitos de vidrio en forma de vidrio de Li dopado con Ba y vidrio de Na dopado con Ba se han propuesto como soluciones a los problemas identificados con los electrolitos líquidos orgánicos utilizados en las celdas de batería de iones de litio modernas. [111]
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Después de la preparación y mezcla del lote de vidrio , las materias primas se transportan al horno. El vidrio sódico-cálcico 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 diarios. [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 semifundido caliente, inflarlo en una burbuja usando un soplete hueco y darle la forma requerida soplando, balanceándolo, rodándolo o moldeándolo. Mientras está caliente, el vidrio se puede trabajar con herramientas manuales, cortar con tijeras y agregarle piezas adicionales, como manijas 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 bajo presión para obtener un acabado pulido. [113] El vidrio para envases para 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 suele recocerse para eliminar tensiones y aumentar su dureza y durabilidad. [116] Pueden aplicarse tratamientos de superficie, revestimientos o laminados para mejorar la durabilidad química ( revestimientos de envases de vidrio , tratamiento interno de envases de vidrio ), la resistencia ( vidrio templado , vidrio a prueba de balas , parabrisas [117] ) o las propiedades ópticas ( vidrio aislante , revestimiento antirreflejo ). [118]
Las nuevas composiciones químicas de vidrio o las nuevas técnicas de tratamiento se pueden investigar 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 porque el factor coste tiene una baja prioridad. En el laboratorio se utilizan sobre todo productos químicos puros . Se debe tener cuidado de que las materias primas no hayan reaccionado con la humedad u otros productos químicos del entorno (como óxidos e hidróxidos de metales alcalinos o alcalinotérreos u óxido de boro ), o de que las impurezas estén cuantificadas (pérdida por ignición). [119] Las pérdidas por evaporación durante la fusión del vidrio se deben tener en cuenta durante la selección de las materias primas, por ejemplo, se puede preferir el selenito de sodio al dióxido de selenio (SeO 2 ) que se evapora fácilmente. Además, se pueden preferir materias primas que reaccionan más fácilmente a las relativamente inertes , como el hidróxido de aluminio (Al(OH) 3 ) sobre 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 ( batch de vidrio ), agitando la masa fundida y triturando y volviendo a fundir la primera masa fundida. El vidrio obtenido suele recocerse para evitar que se rompa durante el procesamiento. [119] [120]
El color del vidrio se puede obtener mediante la adición de iones cargados eléctricamente distribuidos de forma homogénea (o centros de color ). Mientras que el vidrio sodocálcico ordinario parece incoloro en una sección fina, las impurezas de óxido de hierro(II) (FeO) producen un tinte verde en secciones gruesas. [121] Se puede añadir dióxido de manganeso (MnO2 ) , que da al vidrio un color púrpura, para eliminar el tinte verde dado por el FeO. [122] Los aditivos de FeO y óxido de cromo(III) ( Cr2O3 ) se utilizan en la producción de botellas verdes. [121] El óxido de hierro (III) , por otro lado, produce vidrio amarillo o marrón amarillento. [123] Las concentraciones bajas (0,025 a 0,1%) de óxido de cobalto (CoO) producen vidrio de cobalto azul intenso y rico . [124] El cromo es un agente colorante muy potente, que produce un 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 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 marrón rojizo opaco. [128]
El vidrio laminado de cal sódica se utiliza normalmente como material de acristalamiento transparente , normalmente como ventanas en las paredes externas de los edificios. Los productos de vidrio laminado o flotado se cortan a medida ya sea rayando y rompiendo el material, cortando con láser , chorros de agua o sierras con hoja de diamante . El vidrio puede templarse (reforzarse) térmica o químicamente para mayor seguridad y doblarse o curvarse durante el calentamiento. Se pueden añadir revestimientos superficiales para funciones específicas, como resistencia a los arañazos, bloqueo de longitudes de onda específicas de la luz (por ejemplo, infrarrojos o ultravioleta ), repelencia de la suciedad (por ejemplo, vidrio autolimpiante ) o revestimientos electrocrómicos conmutables . [129]
Los sistemas de acristalamiento estructural representan una de las innovaciones arquitectónicas más significativas de los tiempos modernos, donde los edificios de vidrio ahora a menudo dominan 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 conservatorios de hierro y vidrio del siglo XIX . [131]
El vidrio es un componente esencial de la vajilla y se utiliza normalmente para vasos para beber agua, cerveza y vino . [51] Las copas de vino suelen ser copas con tallo , 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 para beber con facetas brillantes. [132] [133] Otros usos del vidrio en la vajilla incluyen decantadores , jarras , platos y cuencos . [51]
La naturaleza inerte e impermeable del vidrio lo convierte en un material estable y ampliamente utilizado para el envasado de alimentos y bebidas en forma de botellas y frascos de vidrio . La mayor parte del vidrio para envases es vidrio sódico-cálcico , 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, se reciclan fácilmente, se pueden reutilizar y rellenar. [135]
Para aplicaciones electrónicas, el vidrio se puede utilizar como sustrato en la fabricación de dispositivos pasivos integrados , resonadores acústicos de película delgada a granel 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 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 moldea fácilmente en las formas requeridas para el experimento, es fácil de mantener limpio, puede soportar el tratamiento de calor y frío, generalmente no es reactivo 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 , cilindros graduados , recipientes metálicos revestidos de vidrio para procesamiento químico, columnas de fraccionamiento , tubos de vidrio, líneas Schlenk , medidores y termómetros . [141] [139 ] Aunque la mayoría de la cristalería de laboratorio estándar se ha producido en masa desde la década de 1920, los científicos todavía emplean sopladores de vidrio capacitados para fabricar aparatos de vidrio a medida para sus requisitos experimentales. [142]
El vidrio es un material omnipresente en óptica debido a su capacidad de refractar , reflejar y transmitir luz. Estas y otras propiedades ópticas se pueden controlar mediante la variación de composiciones químicas, tratamiento térmico y técnicas de fabricación. Las muchas 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 en, por ejemplo, la lectura de discos ópticos , impresoras láser , fotocopiadoras y diodos láser . [56]
El vidrio como arte data al menos del año 1300 a. C., como se muestra en un ejemplo de vidrio natural encontrado en el pectoral de Tutankamón, [143] que también contenía esmalte vítreo , es decir, vidrio de color fundido utilizado sobre un soporte de metal. El vidrio esmaltado , la decoración de recipientes de vidrio con pinturas de vidrio de colores, existe desde el año 1300 a. C., [144] y fue prominente 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 renacimiento en el siglo XIX.
El siglo XIX fue testigo de un resurgimiento de las técnicas de fabricación de vidrio antiguas, incluido el vidrio camafeo , que se logró 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 en técnicas de vidrio camafeo o vidrio lustroso . [145]
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 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, desplome, 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 de 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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