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Una fachada de edificio de vidrio.

El vidrio es un sólido amorfo no cristalino , a menudo transparente , que tiene un uso práctico, tecnológico y decorativo generalizado en, por ejemplo, cristales de ventanas , vajillas y ópticas . El vidrio se forma con mayor frecuencia mediante un enfriamiento rápido ( temple ) de la forma fundida ; algunos vasos, como el cristal volcánico, son de origen natural. Los tipos de vidrio fabricado más familiares, e históricamente los más antiguos, son los "vidrios de silicato" basados ​​en el compuesto químico sílice (dióxido de silicio o cuarzo ), el componente principal de la arena .El vidrio de cal sodada , que contiene alrededor del 70% de sílice, representa alrededor del 90% del vidrio fabricado. El término vidrio , en el uso popular, se usa a menudo para referirse solo a este tipo de material, aunque los vidrios sin sílice a menudo tienen propiedades deseables para aplicaciones en la tecnología de comunicaciones moderna. Algunos objetos, como vasos para beber y anteojos , están hechos con tanta frecuencia de vidrio a base de silicato que simplemente se les llama por el nombre del material.

Aunque es frágil, el vidrio de silicato es extremadamente duradero y existen muchos ejemplos de fragmentos de vidrio de las primeras culturas de fabricación de vidrio . La evidencia arqueológica sugiere que la fabricación de vidrio se remonta al menos al 3.600 a. C. en Mesopotamia , Egipto o Siria . Los primeros objetos de vidrio conocidos fueron cuentas , quizás creadas accidentalmente durante el trabajo de los metales o la producción de loza . Debido a su facilidad de conformación en cualquier forma, el vidrio se ha utilizado tradicionalmente para recipientes, como cuencos , jarrones , botellas., jarras y vasos para beber. En sus formas más sólidas, también se ha utilizado para pisapapeles y mármoles . El vidrio se puede colorear agregando sales metálicas o se puede pintar e imprimir como vidrio esmaltado . Las propiedades refractivas , reflectantes y de transmisión del vidrio lo hacen adecuado para la fabricación de lentes ópticos , prismas y materiales optoelectrónicos . Extruidos fibras de vidrio tienen aplicación como fibras ópticas en redes de comunicaciones, material aislante térmico cuando enmarañado como lana de vidrio con el fin de atrapar el aire, o enfibra de vidrio de plástico reforzado ( fibra de vidrio ).

Estructura microscópica

La estructura amorfa de la sílice vítrea (SiO 2 ) en dos dimensiones. No hay ningún orden de largo alcance, aunque hay un orden local con respecto a la disposición tetraédrica de los átomos de oxígeno (O) alrededor de los átomos de silicio (Si).
Artículo principal: Estructura de líquidos y vasos.

La definición estándar de vidrio (o sólido vítreo) es un sólido formado por enfriamiento rápido por fusión . [1] [2] [3] [4] Sin embargo, el término "vidrio" se define a menudo 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 noción de que el vidrio fluye de manera apreciable durante períodos prolongados de tiempo no está respaldada por investigaciones empíricas o análisis teóricos (ver viscosidad en sólidos ). Las mediciones de laboratorio del flujo de vidrio a temperatura ambiente muestran un movimiento consistente con una viscosidad del material del orden de 10 17 –10 18 Pa s. [5] [10]

Formación a partir de un líquido sobreenfriado.

Artículo principal: transición vítrea
Problema sin resolver en física :

¿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 [11]

(más problemas sin resolver en física)

Para el enfriamiento rápido de la masa fundida, si el enfriamiento es suficientemente rápido (con respecto al tiempo de cristalización característico ), entonces se evita la cristalización y, en cambio, la configuración atómica desordenada del líquido superenfriado se congela en el estado sólido a T g . 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 . [12] Generalmente, un vidrio existe en un estado estructuralmente metaestable con respecto a su forma cristalina , aunque en determinadas circunstancias, por ejemplo en los polímeros atácticos , no existe un análogo cristalino de la fase amorfa.[13]

El vidrio a veces se considera un líquido debido a la falta de una transición de fase de primer orden [7] [14] donde ciertas variables termodinámicas como el volumen , la entropía y la entalpía son discontinuas a través del rango de transición vítrea. La transición vítrea puede describirse como análoga a una transición de fase de segundo orden en la que las variables termodinámicas intensivas, como la expansividad térmica y la capacidad calorífica, son discontinuas. [2]No obstante, la teoría del equilibrio de las transformaciones de fase no es del todo 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]

Ocurrencia en la naturaleza

Artículos principales: Vidrio volcánico , Impactita y Fulgurita.

El vidrio se puede formar naturalmente a partir del magma volcánico. La obsidiana es un vidrio volcánico común con alto contenido de sílice (SiO2) que se forma cuando la lava félsica extruida de un volcán se enfría rápidamente. [15] Impactita es una forma de vidrio formado 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. [16] La vitrificación del cuarzo también puede ocurrir cuando un rayo cae sobre la arena., formando estructuras huecas, ramificadas parecidas a raíces llamadas fulguritas . [17] 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 . [18] Se propone que el vidrio de Edeowie , que se encuentra en el sur de Australia , se origina en incendios de pastizales del Pleistoceno , rayos o impacto a hipervelocidad de uno o varios asteroides o cometas . [19]

  • Un trozo de vidrio de obsidiana volcánica.

  • Moldavita , un vidrio natural formado por el impacto de un meteorito , de Besednice , Bohemia

  • Fulguritas en tubo

  • Trinitite , un vidrio fabricado por la prueba de armas nucleares Trinity

  • Vidrio del desierto de Libia

Historia

Artículo principal: Historia del vidrio
Copa de jaula romana del siglo IV a.C.

El vidrio de obsidiana natural fue utilizado por las sociedades de la Edad de Piedra , ya que se fractura a lo largo de bordes muy afilados, lo que lo hace ideal para herramientas de corte y armas. [20] [21] La fabricación de vidrio se remonta a al menos 6000 años, mucho antes de que los humanos descubrieran cómo fundir el hierro. [20] 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 . [22] [23] Los primeros objetos de vidrio conocidos, de mediados del tercer milenio antes de Cristo, eran cuentas, quizás inicialmente creado como subproductos accidentales del trabajo de los metales ( escorias ) o durante la producción de loza , un material vítreo pre-vidrio fabricado mediante un proceso similar al acristalamiento . [24] El vidrio primitivo rara vez era transparente ya menudo contenía impurezas e imperfecciones, [20] y técnicamente es fayenza más que vidrio verdadero, que no apareció hasta el siglo XV a. C. [25] 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 ya en 1900 a. C.) son anteriores a la producción sostenida de vidrio, que apareció alrededor de 1600 en Mesopotamia y 1500 en Egipto.[26] [27] Durante la Edad del Bronce Final hubo un rápido crecimiento en latecnología de fabricación de vidrio en Egipto y Asia Occidental . [22] Los hallazgos arqueológicos de este período incluyen lingotes , vasijas y cuentas devidrio de colores. [22] [28] Gran parte de la producción de vidrio antigua se basaba en técnicas de pulido tomadas del trabajo de la piedra , como el pulido y el tallado del vidrio en frío. [29]

El término vidrio se desarrolló a finales del Imperio Romano . Fue en el centro de fabricación de vidrio romano en Trier (ubicado en la Alemania actual), donde se originó el término glesum en latín tardío , probablemente a partir de una palabra germánica para una sustancia transparente y brillante . [30] Se han recuperado objetos de vidrio en todo el Imperio Romano [31] en contextos domésticos, funerarios , [32] e industriales. [33] Se han encontrado ejemplos de vidrio romano fuera del antiguo Imperio Romano.en China , [34] los países bálticos , Oriente Medio e India . [35] Los romanos perfeccionaron el vidrio camafeo , producido grabando y tallando capas fusionadas de diferentes colores para producir un diseño en relieve en el objeto de vidrio. [36]

Ventanas en el coro de la Basílica de Saint Denis , uno de los primeros usos de extensas áreas de vidrio (arquitectura de principios del siglo XIII con vidrio restaurado del siglo XIX)

En el África occidental posclásica , Benin era un fabricante de vidrio y perlas de vidrio. [37] 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. [38] Desde el siglo X en adelante, el vidrio se utilizó 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 comoSainte-Chapelle , París (1203-1248) y el extremo este de la catedral de Gloucester . Con el cambio en el estilo arquitectónico durante el período del Renacimiento en Europa, el uso de grandes vidrieras se volvió mucho menos frecuente, [39] aunque las vidrieras tuvieron un importante resurgimiento con la arquitectura neogótica del siglo XIX. [40]

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. [36] Los fabricantes de vidrio de Murano desarrollaron el cristallo de vidrio incoloro excepcionalmente claro , llamado así por su parecido con el cristal natural, y ampliamente utilizado para ventanas, espejos, linternas de barcos y lentes. [20] En los siglos XIII, XIV y XV, el esmaltado y dorado de vasijas de vidrio se perfeccionó en Egipto y Siria. [41] Hacia finales del siglo XVII, Bohemiase convirtió en una región importante para la producción de vidrio, permaneciendo así hasta principios del siglo XX. En el siglo XVII, el vidrio también se producía en Inglaterra según la tradición veneciana. En torno a 1675, George Ravenscroft inventó el cristal de plomo de vidrio, con vidrio de corte poniendo de moda en el siglo 18. [36] Los objetos de vidrio ornamentales se convirtieron en un medio artístico importante durante el período Art Nouveau a fines del siglo XIX. [36]

A lo largo del siglo XX, las nuevas técnicas de producción en masa llevaron a la disponibilidad y utilidad generalizadas del vidrio a granel y su uso cada vez mayor como material de construcción y nuevas aplicaciones del vidrio. [42] En la década de 1920 un molde se desarrolló proceso -etch, en los que el arte estaba grabada directamente en el molde, de modo que cada pieza de fundición emergió desde el 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 de color, condujo a cristalería barata en la década de 1930, que más tarde se conoció como vidrio Depresión . [43] En la década de 1950, Pilkington Bros. , Inglaterra , desarrolló el vidrio flotadoproceso, produciendo láminas de vidrio planas sin distorsiones de alta calidad flotando sobre estaño fundido . [20] Los edificios modernos de varios pisos se construyen con frecuencia con muros cortina hechos casi en su totalidad de vidrio. [44] Del mismo modo, el vidrio laminado se ha aplicado ampliamente a los vehículos para parabrisas. [45] El vidrio óptico para gafas se utiliza desde la Edad Media. [46] La producción de lentes se ha vuelto cada vez más competente, ayudando a los astrónomos [47] además de tener otras aplicaciones en la medicina y la ciencia. [48] ​​El vidrio también se emplea como tapa de apertura en muchas fuentes de energía solar.coleccionistas. [49]

En el siglo XXI, los fabricantes de vidrio han desarrollado diferentes marcas de vidrio reforzado químicamente para una aplicación generalizada en pantallas táctiles para teléfonos inteligentes , tabletas y muchos otros tipos de dispositivos de información . Estos incluyen el cristal Gorilla , desarrollado y fabricado por Corning , AGC Inc. 's dragontrail y Schott AG ' Xensation s. [50] [51] [52]

Propiedades físicas

Óptico

El vidrio se usa 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 . [53] 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. [53] 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.[53] El índice de refracción puede modificarse mediante aditivos de alta densidad (aumento del índice de refracción) o de baja densidad (disminución del índice de refracción). [54]

La transparencia del vidrio resulta de la ausencia de límites de grano que dispersan la luz de manera difusa en materiales policristalinos. [55] La semiopacidad debida a la cristalización puede inducirse en muchos vidrios manteniéndolos durante un período prolongado a una temperatura apenas insuficiente para provocar la fusión. De esta forma se produce el material cristalino desvitrificado, conocido como porcelana de vidrio de Réaumur . [41] [56] 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 las longitudes de onda infrarrojas con un corte de transmisión de 4 μm, los metales pesadosLos vidrios de fluoruro y calcogenuro son transparentes a longitudes de onda infrarrojas de 7 a 18 μm, respectivamente. [57] 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. [57]

Otro

Ver también: Lista de propiedades físicas del vidrio , Corrosión § Corrosión del vidrio y Resistencia del vidrio

En el proceso de fabricación, los vidrios se pueden verter, moldear, extruir y moldear en formas que van desde láminas planas hasta formas muy complejas. [58] El producto terminado es frágil y se fracturará, a menos que esté laminado o templado para mejorar la durabilidad. [59] [60] El vidrio es típicamente inerte, resistente al ataque químico y en su mayor parte puede resistir la acción del agua, lo que lo convierte en un material ideal para la fabricación de envases para alimentos y la mayoría de los productos químicos. [20] [61] [62] No obstante, aunque suele ser muy resistente al ataque químico, el vidrio se corroe o se disuelve en algunas condiciones. [61] [63]Los materiales que componen una composición de vidrio en particular tienen un efecto sobre la rapidez con que se corroe el vidrio. Los vidrios que contienen una alta proporción de elementos alcalinos o alcalinotérreos son más susceptibles a la corrosión que otras composiciones de vidrio. [64] [65]

La densidad del vidrio varía con la composición química con valores que van desde 2.2 gramos por centímetro cúbico (2.200 kg / m 3 ) para la sílice fundida a 7.2 gramos por centímetro cúbico (7.200 kg / m 3 ) para el vidrio de sílex denso. [66] El vidrio es más fuerte que la mayoría de los metales, con una resistencia a la tracción teórica estimada en 14 gigapascales (2,000,000 psi) a 35 gigapascales (5,100,000 psi) debido a su capacidad para sufrir compresión reversible sin fracturarse. Sin embargo, la presencia de rayones, burbujas y otros defectos microscópicos conduce a un rango típico de 14 megapascales (2,000 psi) a 175 megapascales (25,400 psi) en la mayoría de los vasos comerciales. [57] Varios procesos como el endurecimientoPuede aumentar la resistencia del vidrio. [67] Se pueden producir fibras de vidrio impecables cuidadosamente estiradas con una resistencia de hasta 11,5 gigapascales (1,670,000 psi). [57]

Flujo reputado

La observación de que las ventanas antiguas a veces son más gruesas en la parte inferior que en la parte superior se ofrece a menudo como evidencia de apoyo para la opinión de que el vidrio fluye a lo largo de una escala de tiempo de siglos, asumiendo que el vidrio ha exhibido la propiedad líquida de fluir desde el exterior. una forma a otra. [68] Esta suposición es incorrecta, ya que una vez solidificado, el vidrio deja de fluir. En cambio, los procesos de fabricación de vidrio en el pasado producían láminas de grosor no uniforme que provocaban combaduras y ondulaciones observadas en las ventanas viejas. [7]

Tipos

Silicato

La arena de cuarzo (sílice) es la principal materia prima en la producción comercial de vidrio.

El dióxido de silicio (SiO 2 ) es un componente fundamental común del vidrio. El cuarzo fundido es un vidrio hecho de sílice químicamente pura. [65] Tiene una expansión térmica muy baja y una excelente resistencia al choque térmico , es capaz de sobrevivir a 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 a un rango espectral más amplio que el vidrio ordinario, y se extiende desde lo visible hasta los rangos UV e IR , y a veces se usa cuando es necesaria la transparencia a 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.[69] 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 disminuir la temperatura de fusión y simplificar el procesamiento del vidrio. [70]

Refresco de limón

El carbonato de sodio (Na 2 CO 3 , "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 ), algo de óxido de magnesio (MgO) y óxido de aluminio (Al 2 O 3 ) son otros componentes comunes que se agregan para mejorar la durabilidad química. Vidrios de cal sodada (Na 2 O) + cal (CaO) + magnesia (MgO) + alúmina (Al 2 O 3) representan más del 75% del vidrio fabricado, que contiene aproximadamente del 70 al 74% de sílice en peso. [65] [71] El vidrio de silicato sódico-calcáreo es transparente, se forma fácilmente y es más adecuado para vidrios de ventanas y vajillas. [72] Sin embargo, tiene una alta expansión térmica y poca resistencia al calor. [72] El vidrio de cal sodada se usa típicamente para ventanas , botellas , bombillas y frascos . [70]

Borosilicato

Una jarra medidora de vidrio de borosilicato Pyrex

Los vidrios de borosilicato (por ejemplo , Pyrex , Duran ) contienen típicamente de 5 a 13% de trióxido de boro (B 2 O 3 ). [70] Los vidrios de borosilicato tienen coeficientes de expansión térmica bastante bajos (7740 Pyrex CTE es 3.25 × 10 - 6 / ° C [73] en comparación con aproximadamente 9 × 10 - 6 / ° C para un vidrio de cal sodada típico [74] ). Por lo tanto, están menos sujetos a la tensión causada por la expansión térmica y, por lo tanto, menos vulnerables al agrietamiento deChoque térmico . Se utilizan comúnmente para , por ejemplo , utensilios de laboratorio , utensilios de cocina domésticos y faros de coche con haz de luz sellada . [70]

Dirigir

La adición de óxido de plomo (II) al vidrio de silicato reduce el punto de fusión y la viscosidad de la masa fundida. [75] 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 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 . [65] [76]El vidrio de plomo tiene una alta elasticidad, lo que hace que la cristalería sea más manejable y da lugar a un sonido claro de "anillo" cuando se golpea. Sin embargo, el vidrio de plomo no puede soportar bien las altas temperaturas. [69] El óxido de plomo también facilita la solubilidad de otros óxidos metálicos y se usa en vidrio coloreado. La disminución de la viscosidad del vidrio de plomo fundido es muy significativa (aproximadamente 100 veces en comparación con el vidrio de sosa); 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 Pb 2+el ion 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 de cal sodada (10 8,5 frente a 10 6,5  Ω⋅cm, CC a 250 ° C). [77]

Aluminosilicato

El vidrio de aluminosilicato contiene típicamente de 5 a 10% de alúmina (Al 2 O 3 ). El vidrio de aluminosilicato tiende a ser más difícil de fundir y dar forma en comparación con las composiciones de borosilicato, pero tiene una excelente resistencia térmica y durabilidad. [70] El vidrio de aluminosilicato se usa ampliamente para la fibra de vidrio , [78] se usa para fabricar plásticos reforzados con vidrio (botes, cañas de pescar, etc.), utensilios de cocina para la parte superior de la estufa y vidrio de bombilla halógena. [69] [70]

Otros aditivos de óxidos

La adición de bario también aumenta el índice de refracción. El óxido de torio le da al vidrio un índice de refracción alto y una dispersión baja y se usaba anteriormente en la producción de lentes de alta calidad, pero debido a su radiactividad ha sido reemplazado por óxido de lantano en los anteojos modernos. [79] 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 . [80] El flúor reduce la constante dieléctrica del vidrio. El flúor es altamenteelectronegativo y reduce la polarizabilidad del material. Los vidrios de silicato de fluoruro se utilizan en la fabricación de circuitos integrados como aislante. [81]

Vitrocerámica

Artículo principal: vitrocerámica
Una placa de cocción vitrocerámica de alta resistencia con una expansión térmica insignificante .

Los materiales vitrocerámicos contienen tanto vidrio no cristalino como fases cerámicas cristalinas . Están formados por nucleación controlada y cristalización parcial de un vidrio base mediante tratamiento térmico. [82] Los granos cristalinos a menudo están incrustados dentro de una fase intergranular no cristalina de los límites de los granos . Las vitrocerámicas exhiben propiedades térmicas, químicas, biológicas y dieléctricas ventajosas en comparación con los metales o los polímeros orgánicos. [82]

La propiedad comercialmente más importante de las vitrocerámicas es su impermeabilidad al choque térmico. Por lo tanto, la vitrocerámica se ha vuelto extremadamente útil para procesos industriales y de cocción en encimeras. El coeficiente de expansión térmica negativo (CTE) 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 CET neto cercano a cero. Este tipo de vitrocerámica presenta excelentes propiedades mecánicas y puede soportar cambios de temperatura repetidos y rápidos de hasta 1000 ° C. [83] [82]

Fibra de vidrio

Artículos principales: Fibra de vidrio y lana de vidrio

La fibra de vidrio (también llamada plástico reforzado con fibra de vidrio, GRP) es un material compuesto fabricado reforzando una resina plástica con fibras de vidrio . Se fabrica fundiendo vidrio y estirando el vidrio en fibras. Estas fibras se tejen juntas en una tela y se dejan fraguar en una resina plástica. [84] [85] [86] 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 usó 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 y de construcción, cascos de botes, partes de la carrocería de automóviles y materiales compuestos aeroespaciales. [87] [84] [86]

Lana con fibra de vidrio es un excelente térmico y de sonido material de aislamiento, que se utiliza comúnmente en los edificios (por ejemplo, ático y pared de la cavidad de aislamiento ), y las tuberías (por ejemplo, aislamiento de tuberías ), y la insonorización . [87] Se produce forzando el vidrio fundido a través de una malla fina por la fuerza centrípeta y rompiendo las fibras de vidrio extruidas en trozos cortos utilizando una corriente de aire a alta velocidad. Las fibras se unen con un spray adhesivo y la estera de lana resultante se corta y empaqueta en rollos o paneles. [57]

Sin silicato

Un CD-RW (CD). El vidrio de calcogenuro forma la base de la tecnología de memoria de estado sólido de CD y DVD regrabables. [88]

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 ( vasos a base de Sb 2 O 3 ), arseniatos (vasos a base de As 2 O 3 ), titanatos (vasos a base de TiO 2 ), tantalatos (vasos a base de 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 físico-químicas útiles para su aplicación en fibra. -guías de ondas ópticas en redes de comunicación y otras aplicaciones tecnológicas especializadas. [89] [90]

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 por levitación aerodinámica (enfriar la masa fundida mientras flota en una corriente de gas) o templado por salpicadura (presionar la masa fundida entre dos yunques o rodillos metálicos), para aumentar la velocidad de enfriamiento o reducir los desencadenantes de nucleación de cristales. [91] [92] [93]

Metales amorfos

Artículo principal: metal amorfo
Muestras de metal amorfo, con escala milimétrica

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. Los alambres de metal amorfo se han producido pulverizando metal fundido sobre un disco de metal giratorio. Más recientemente, se han producido varias aleaciones en capas con espesores superiores a 1 milímetro. Estos se conocen como vidrios metálicos a granel (BMG). Liquidmetal Technologies vende una serie de BMG a base de circonio. También se han producido lotes de acero amorfo que demuestran propiedades mecánicas muy superiores a las que se encuentran en las aleaciones de acero convencionales. [94] [95] [96]

La evidencia experimental indica que el sistema Al-Fe-Si puede experimentar una transición de primer orden a una forma amorfa (denominada "q-glass") 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 de fusión. [97] [98]

Polímeros

Los vidrios poliméricos importantes incluyen compuestos farmacéuticos amorfos y vítreos. Estos son útiles porque la solubilidad del compuesto aumenta mucho cuando es amorfo en comparación con la misma composición cristalina. Muchos productos farmacéuticos emergentes son prácticamente insolubles en sus formas cristalinas. [99] Muchos termoplásticos poliméricos conocidos por el uso diario son los vidrios. Para muchas aplicaciones, como botellas de vidrio o anteojos , los vidrios de polímero ( vidrio acrílico , policarbonato o tereftalato de polietileno ) son una alternativa más ligera al vidrio tradicional. [100]

Líquidos moleculares y sales fundidas

Los líquidos moleculares, los electrolitos , las sales fundidas y las soluciones acuosas son mezclas de diferentes moléculas o iones que no forman una red covalente sino que interactúan solo 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 diferente tamaño y forma, la cristalización puede ser tan difícil que el líquido se puede sobreenfriar fácilmente en un vaso. [101] [102] 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. [103] vidrio de azúcar , [104] o Ca 0,4 K 0,6 (NO 3 ) 1.4 . [105] Se han propuesto electrolitos de vidrio en forma de vidrio de litio dopado con Ba y vidrio de Na dopado con Ba como soluciones a los problemas identificados con los electrolitos líquidos orgánicos utilizados en las pilas de baterías de iones de litio modernas. [106]

Producción

Artículos principales: Producción de vidrio , vidrio flotado y vidrio soplado
Descarga robotizada de vidrio flotado

Después de la preparación y mezcla del lote de vidrio , las materias primas se transportan al horno. El vidrio de cal sodada para producción en masa se funde en unidades de gas . Los hornos de menor escala para vidrios especiales incluyen fusores eléctricos, hornos de olla y tanques diurnos. [71] Después de la fusión, la homogeneización y refinación (eliminación de burbujas), es el vidrio formado . El vidrio plano para ventanas y aplicaciones similares se forma mediante el proceso de vidrio flotado , desarrollado entre 1953 y 1957 por Sir Alastair Pilkingtony Kenneth Bickerstaff de Pilkington Brothers del Reino Unido, quienes crearon una cinta continua de vidrio utilizando un baño de estaño fundido en el que el vidrio fundido fluye sin obstáculos bajo la influencia de la gravedad. La superficie superior del vidrio se somete a nitrógeno a presión para obtener un acabado pulido. [107] El vidrio para envases de botellas y frascos comunes se forma mediante métodos de soplado y prensado . [108] Este vidrio a menudo está ligeramente modificado químicamente (con más alúmina y óxido de calcio) para una mayor resistencia al agua. [109]

Soplado de vidrio

Una vez que se obtiene la forma deseada, el vidrio se suele templar para eliminar las tensiones y aumentar la dureza y durabilidad del vidrio. [110] Los tratamientos superficiales, recubrimientos o laminación pueden seguir para mejorar la durabilidad química ( revestimientos de envases de vidrio , envases de vidrio tratamiento interno ), la fuerza ( vidrio templado , a prueba de balas de vidrio , parabrisas [111] ), o propiedades ópticas ( acristalamiento aislante , anti- revestimiento reflectante ). [112]

Las nuevas composiciones químicas de vidrio o las nuevas técnicas de tratamiento pueden investigarse inicialmente en experimentos de laboratorio a pequeña escala. Las materias primas para el vidrio fundido a escala de laboratorio suelen ser diferentes de las que se utilizan en la producción en masa porque el factor de costo tiene una 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 en el ambiente (como óxidos e hidróxidos de metales alcalinos o alcalinotérreos , u óxido de boro ), o que las impurezas estén cuantificadas (pérdida por ignición). [113] Las pérdidas por evaporación durante la fusión del vidrio deben considerarse durante la selección de las materias primas, por ejemplo,selenito de sodio puede ser preferido por encima fácilmente evaporando dióxido de selenio (SeO _ 2 ). Además, se pueden preferir las 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 ). Por lo general, 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 ser recocidopara evitar roturas durante el procesamiento. [113] [114]

Color

Artículo principal: Coloración de vidrio y marcado de color.

El color en el vidrio puede obtenerse mediante la adición de iones cargados eléctricamente distribuidos homogéneamente (o centros de color ). Mientras que el vidrio ordinario de cal sodada parece incoloro en la sección delgada, las impurezas de óxido de hierro (II) (FeO) producen un tinte verde en las secciones gruesas. [115] Puede añadirse dióxido de manganeso (MnO 2 ), que le da al vidrio un color púrpura, para eliminar el tinte verde que le da el FeO. [116] Los aditivos de FeO y óxido de cromo (III) (Cr 2 O 3 ) se utilizan en la producción de botellas verdes. [115] El óxido de hierro (III) , por otro lado, produce vidrio amarillo o marrón amarillento.[117] Las concentraciones bajas (0.025 a 0.1%) de óxido de cobalto (CoO) producen un vidrio de cobalto azul intenso y rico. [118] El cromo es un agente colorante muy potente que produce un color verde oscuro. [119] El azufre combinado consales de hierro y carbono produce un vidrio ámbar que varía de amarillento a casi negro. [120] Un vidrio fundido también puede adquirir un color ámbar a partir de una atmósfera de combustión reductora. [121] El sulfuro de cadmio produce rojo imperial, y combinado con selenio puede producir tonos de amarillo, naranja y rojo. [115] [117] 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 le da un color marrón rojizo opaco. [122]

  • Los aditivos de óxido de hierro (II) y óxido de cromo (III) se utilizan a menudo en la producción de botellas verdes. [115]

  • El óxido de cobalto produce un cristal azul intenso , como el cristal azul Bristol .

  • Diferentes aditivos de óxido producen los diferentes colores en el vidrio: turquesa ( óxido de cobre (II) ), [122] púrpura ( dióxido de manganeso ), [115] y rojo ( sulfuro de cadmio ). [115]

  • Frasco de vidrio rojo con recubrimiento de vidrio amarillo

  • Vidrio de color ámbar

  • Cuenco de cristal romano de cuatro colores, fabricado alrededor del siglo I a.C.

Usos

El rascacielos de cristal Shard , en Londres .

Arquitectura y ventanas

Artículos principales: Vidrio arquitectónico y Ventana.

El vidrio laminado de cal sodada se usa típicamente como material de acristalamiento transparente , generalmente como ventanas en las paredes externas de los edificios. Los productos de vidrio flotante o laminado se cortan a medida, ya sea marcando y rompiendo el material, cortando con láser , chorros de agua o con una sierra con hoja de diamante . El vidrio puede ser templado (reforzado) térmica o químicamente por seguridad y doblado o curvado durante el calentamiento. Se pueden agregar revestimientos de superficie para funciones específicas como resistencia a los rayones, 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 . [123]

Los sistemas de acristalamiento estructural representan una de las innovaciones arquitectónicas más importantes de los tiempos modernos, donde los edificios de vidrio ahora a menudo dominan los horizontes de muchas ciudades modernas . [124] 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. [124] Los sistemas de acristalamiento estructural tienen sus raíces en los invernaderos de hierro y vidrio del siglo XIX [125]

Vajilla

Artículos principales: Vajilla y Lista de cristalería.

El vidrio es un componente esencial de la vajilla y se usa típicamente para vasos de agua, cerveza y vino . [48] Las copas de vino son típicamente copas , es decir, copas formadas a partir de un cuenco, un pie y un pie. El cristal o el cristal de plomo se puede cortar y pulir para producir vasos decorativos con facetas relucientes. [126] [127] Otros usos del vidrio en la vajilla incluyen decantadores , jarras , platos y cuencos . [48]

  • Copas de vino y otros artículos de mesa de vidrio.

  • Jarra de cerveza de vidrio con hoyuelos

  • Cortar cristal de plomo

  • Una jarra de vidrio y un tapón.

embalaje

Artículo principal: recipiente de vidrio

La naturaleza inerte e impermeable del vidrio lo convierte en un material estable y ampliamente utilizado para el envasado de alimentos y bebidas, como botellas y frascos de vidrio . La mayor parte del vidrio para envases es vidrio de cal sodada , producido mediante técnicas de soplado y prensado . El vidrio para envases tiene un contenido más bajo de óxido de magnesio y óxido de sodio que el vidrio plano, y un contenido más alto de sílice , óxido de calcio y óxido de aluminio . [128] Su mayor contenido de óxidos insolubles en agua imparte una durabilidad química ligeramente superior.contra el agua, lo que es ventajoso para almacenar bebidas y alimentos. Los envases de vidrio son sostenibles, fácilmente reciclables, reutilizables y recargables. [129]

Para aplicaciones electrónicas, el vidrio se puede utilizar como sustrato en la fabricación de dispositivos pasivos integrados , resonadores acústicos a granel de película delgada y como material de sellado hermético en el embalaje de dispositivos, [130] [131] incluido el encapsulado muy delgado basado únicamente en vidrio de circuitos integrados y otros semiconductores en altos volúmenes de fabricación. [132]

Laboratorios

Artículo principal: cristalería de laboratorio

El vidrio es un material importante en los laboratorios científicos para la fabricación de aparatos experimentales porque es relativamente barato, se le da fácilmente las formas requeridas para el experimento, es fácil de mantener limpio, puede resistir el tratamiento con calor y frío, generalmente no es reactivo con muchos reactivos y su transparencia permite la observación de reacciones y procesos químicos. [133] [134] Las aplicaciones de material de vidrio 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, manómetros y termómetros . [135] [133] Aunque la mayor parte del material de vidrio 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. [136]

  • Una columna Vigreux en una configuración de laboratorio

  • Una línea Schlenk con cuatro puertos

  • Cilindros graduados

  • Matraz Erlenmeyer

Óptica

El vidrio es un material omnipresente en óptica en virtud de su capacidad para refractar , reflejar y transmitir luz. Estas y otras propiedades ópticas se pueden controlar variando las composiciones químicas, el tratamiento térmico y las técnicas de fabricación. Las muchas aplicaciones del vidrio en óptica incluyen gafas para 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 . Microlentesy 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 .[53]

Arte

Artículos principales: vidrio de estudio , vidrio artístico y arte en vidrio.
Parte del panel de vidrieras alemanas de 1444 con la Visitación ; maceta de vidrio de color metálico de varios colores, incluido el vidrio blanco, la pintura vítrea negra, el tinte amarillo plateado y las partes "verde oliva" son de esmalte. Los patrones de plantas en el cielo rojo se forman raspando la pintura negra del vidrio rojo antes de disparar. Un panel restaurado con nuevos cames de plomo.

El vidrio como arte data de al menos 1300 aC y se muestra como un ejemplo de vidrio natural encontrado en el pectoral de Tutankamón, [137] que también contenía esmalte vítreo , es decir, vidrio de color fundido usado sobre un soporte de metal. El vidrio esmaltado , la decoración de vasijas de vidrio con pinturas de vidrio de colores, existe desde 1300 aC, [138] 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 vio un renacimiento en 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 of 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 lustre . [139]

Louis Comfort Tiffany en América 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 firmas como Waterford y Lalique . Los pequeños estudios pueden producir a mano obras de arte en vidrio. Las técnicas para producir arte en vidrio incluyen soplado , fundición en horno, fusión, hundimiento, pâte de verre , trabajo con llama, escultura en caliente y trabajo en frío. El trabajo en frío incluye el trabajo tradicional de vidrieras y otros métodos para dar forma al vidrio a temperatura ambiente. Los objetos hechos de vidrio incluyen vasijas, pisapapeles , canicas , cuentas , esculturas yarte de instalación . [140]

  • The Portland Vase , vidrio camafeo romano , alrededor del 5 al 25 d.

  • Placa de esmalte cloisonné bizantino de San Demetrio , c. 1100, utilizando la técnica senkschmelz o "hundido"

  • La Royal Gold Cup con esmaltes basse-taille sobre oro; peso 1.935 kg, finales del siglo XIV. Santa Inés se aparece a sus amigos en una visión.

  • El Reichsadlerhumpen , vidrio esmaltado con el águila bicéfala del Sacro Imperio Romano Germánico y las armas de los distintos territorios en sus alas, fue una popular obra maestra del vidrio esmaltado en las tierras alemanas a partir del siglo XVI.

  • Tarro de cristal veneciano estilo filigrana

  • Émile Gallé , Jarrón de cristal de marquetería con flores de clemátide (1890-1900)

  • Jarrón de vidrio del artista modernista René Lalique

  • Lámpara Tiffany de Clara Driscoll , patrón de laburnum , c. 1910

  • Una escultura de vidrio de Dale Chihuly , "The Sun" en la exposición "Gardens of Glass" en Kew Gardens, Londres.

  • Vidriera moderna

Ver también

  • Coloide
  • Vidrio de fuego
  • Vidrio flexible
  • Puntos de Kimberley
  • Gota del príncipe Rupert
  • Lentes inteligentes

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enlaces externos

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