La vitrificación (del latín vitrum 'vidrio', a través del francés vitrifier ) es la transformación total o parcial de una sustancia en un vidrio , [1] es decir, un sólido amorfo no cristalino . Los vidrios se diferencian de los líquidos estructuralmente y poseen un mayor grado de conectividad con la misma dimensionalidad de Hausdorff de enlaces que los cristales: dim H = 3. [2] En la producción de cerámica , la vitrificación es responsable de su impermeabilidad al agua . [3]
La vitrificación se logra generalmente calentando los materiales hasta que se vuelven líquidos y luego enfriando el líquido, a menudo rápidamente, para que pase por la transición vítrea y forme un sólido vítreo. Ciertas reacciones químicas también dan lugar a vidrios.
En términos de química , la vitrificación es característica de los materiales amorfos o sistemas desordenados y ocurre cuando la unión entre partículas elementales ( átomos , moléculas , bloques formadores) se vuelve mayor que un cierto valor umbral. [4] Las fluctuaciones térmicas rompen los enlaces; por lo tanto, cuanto menor sea la temperatura , mayor será el grado de conectividad. Debido a eso, los materiales amorfos tienen una temperatura umbral característica denominada temperatura de transición vítrea ( T g ): por debajo de T g los materiales amorfos son vítreos mientras que por encima de T g están fundidos.
Las aplicaciones más comunes son en la fabricación de cerámica , vidrio y algunos tipos de alimentos, pero hay muchas otras, como la vitrificación de un líquido anticongelante en la criopreservación .
En un sentido diferente de la palabra, la incrustación de material dentro de una matriz vítrea también se denomina vitrificación . Una aplicación importante es la vitrificación de residuos radiactivos para obtener una sustancia que se considera más segura y estable para su eliminación.
Un estudio sugiere [5] [6] [7] [8] que durante la erupción del Monte Vesubio en el año 79 d. C. , el cerebro de una víctima quedó vitrificado por el calor extremo de la ceniza volcánica ; sin embargo, esto ha sido fuertemente cuestionado. [9]
La vitrificación es la fusión parcial progresiva de una arcilla , o de un cuerpo, como resultado de un proceso de cocción . A medida que avanza la vitrificación, la proporción de enlace vítreo aumenta y la porosidad aparente del producto cocido se vuelve progresivamente menor. [3] [10] Los cuerpos vítreos tienen porosidad abierta y pueden ser opacos o translúcidos . En este contexto, la "porosidad cero" puede definirse como una absorción de agua inferior al 1%. Sin embargo, varios procedimientos estándar definen las condiciones de absorción de agua. [11] [12] [13] Un ejemplo es el de ASTM , que afirma que "el término vítreo generalmente significa menos del 0,5% de absorción, excepto para baldosas de suelo y pared y aislantes eléctricos de bajo voltaje , que se consideran vítreos hasta un 3% de absorción de agua". [14]
La cerámica se puede hacer impermeable al agua mediante el esmaltado o la vitrificación. La porcelana , la porcelana china y los artículos sanitarios son ejemplos de cerámica vitrificada y son impermeables incluso sin esmaltado. La cerámica de gres puede ser vitrificada o semivitrificada; este último tipo no sería impermeable sin el esmaltado. [15] [3] [16]
Cuando la sacarosa se enfría lentamente, produce azúcar cristal (o caramelo de roca ), pero cuando se enfría rápidamente puede formar algodón de azúcar almibarado .
La vitrificación también puede ocurrir en un líquido como el agua, generalmente a través de un enfriamiento muy rápido o la introducción de agentes que suprimen la formación de cristales de hielo . Esto es en contraste con la congelación ordinaria que da como resultado la formación de cristales de hielo. La vitrificación se utiliza en la criomicroscopía electrónica para enfriar muestras tan rápidamente que se puedan obtener imágenes con un microscopio electrónico sin dañarlas. [17] [18] En 2017, se otorgó el premio Nobel de Química por el desarrollo de esta tecnología, que se puede utilizar para obtener imágenes de objetos como proteínas o partículas de virus. [19]
El vidrio sodocálcico común , que se utiliza en ventanas y recipientes para bebidas, se crea añadiendo carbonato de sodio y cal ( óxido de calcio ) al dióxido de silicio . Sin estos aditivos, el dióxido de silicio requeriría temperaturas muy altas para obtener una masa fundida y, posteriormente (con un enfriamiento lento), un vidrio.
La vitrificación se utiliza para la eliminación y el almacenamiento a largo plazo de residuos nucleares u otros residuos peligrosos [20] en un método llamado geofusión . Los residuos se mezclan con productos químicos formadores de vidrio en un horno para formar vidrio fundido que luego se solidifica en botes, inmovilizando así los residuos. La forma final de los residuos se asemeja a la obsidiana y es un material duradero que no se lixivia y que atrapa eficazmente los residuos en su interior. Se supone ampliamente que dichos residuos se pueden almacenar durante períodos relativamente largos en esta forma sin preocuparse por la contaminación del aire o las aguas subterráneas . La vitrificación a granel utiliza electrodos para fundir el suelo y los residuos donde yacen enterrados. Los residuos endurecidos pueden luego desenterrarse con menos peligro de contaminación generalizada. Según los Laboratorios Nacionales del Pacífico Noroeste , "la vitrificación encierra materiales peligrosos en una forma de vidrio estable que durará miles de años". [21]
La vitrificación en criopreservación se utiliza para preservar, por ejemplo, óvulos humanos ( ovocitos ) (en la criopreservación de ovocitos ) y embriones (en la criopreservación de embriones ). Evita la formación de cristales de hielo y es un proceso muy rápido: -23.000 °C/min.
Actualmente, las técnicas de vitrificación sólo se han aplicado al cerebro ( neurovitrificación ) por parte de Alcor y a la parte superior del cuerpo por el Cryonics Institute , pero ambas organizaciones están investigando para aplicar la vitrificación a todo el cuerpo.
Muchas plantas leñosas que viven en regiones polares vitrifican naturalmente sus células para sobrevivir al frío. Algunas pueden sobrevivir a la inmersión en nitrógeno líquido y helio líquido . [22] La vitrificación también se puede utilizar para preservar especies de plantas en peligro de extinción y sus semillas. Por ejemplo, las semillas recalcitrantes se consideran difíciles de preservar. La solución de vitrificación de plantas (PVS), una de las aplicaciones de la vitrificación, ha preservado con éxito las semillas de Nymphaea caerulea . [23]
Los aditivos utilizados en criobiología o producidos naturalmente por organismos que viven en regiones polares se denominan crioprotectores .