Un nuevo modelo hace más fácil prever la cristalización de partículas vítreas

Un estudio realizado en el ámbito de un centro apoyado por la FAPESP puede resultar útil en el desarrollo de nuevos materiales vitrificables y en la determinación de la estabilidad de los vidrios durante su aplicación

Por Elton Alisson, desde São Carlos (Brasil)  |  Agência FAPESP – Científicos del Centro de Investigación, Educación e Innovación en Vidrios (CeRTEV), con sede en la Universidad Federal de São Carlos – UFSCar (en el estado de São Paulo, Brasil), desarrollaron un nuevo modelo teórico que permite describir mejor y prever la velocidad de cristalización de partículas vítreas.

Este trabajo, publicado en la revista Acta Materialia, puede resultar útil en el desarrollo de nuevos materiales vitrificables y en la determinación de la estabilidad de vidrios durante su utilización. Esto ayudaría a evitar, por ejemplo, la cristalización descontrolada del vidrio de un horno de cocina durante el calentamiento, causando su astillado.

Tal como explica Edgar Dutra Zanotto, docente de la Universidad Federal de São Carlos (UFSCar) y coordinador del CeRTEV, la cristalización constituye un factor crítico en la producción de vidrios y materiales vitrocerámicos.

“En la producción de vidrios, es importante entender la cristalización a los efectos de evitarla, de manera tal de permitir que el material se vuelva rígido sin cristalizarse. Por otra parte, es posible inducir y controlar la cristalización en vidrios especiales mediante tratamientos térmicos, de modo tal de producir materiales vitrocerámicos parcialmente cristalizados”, dijo.

La cristalización controlada de materiales vitrocerámicos hace posible la formación de microestructuras con determinadas propiedades, como su alta resistencia, y diversas aplicaciones: en sustratos de discos rígidos de computadoras personales, en plantillas de cocina, en espejos telescópicos y en dientes artificiales.

Este estudio recibirá el premio Spriggs Phase Equilibria, concedido anualmente por la American Ceramic Society (ACerS) a la contribución más valiosa en el campo de las relaciones de estabilidad de fases, un fenómeno central en la ciencia y en la ingeniería de materiales. La entrega de dicha distinción tendrá lugar en septiembre, durante la 121ª Reunión Anual de la ACerS, en la ciudad de Portland, en Estados Unidos.

Raphael Reis, quien realizó su doctorado en ingeniería de materiales en la UFSCar y que actualmente es docente de la Universidad Federal Fluminense (UFF) en Río de Janeiro, también participó en el desarrollo del modelo.

“Nuestro grupo de investigación académica en el CeRTEV es uno de los cinco mayores del mundo en vidrios, y hemos estudiado entre otros temas la nucleación y la cristalización de esos materiales”, dijo Dutra Zanotto durante su conferencia en el marco de la primera edición del Simposio de Investigación e Innovación en Materiales Funcionales, organizado por el Centro de Desarrollo de Materiales Funcionales (CDMF) durante los días 23 y 24 mayo, en la UFSCar.

El CDMF y el CeRTEV son Centros de Investigación, Innovación y Difusión (CEPIDs) que cuentan con el apoyo de la FAPESP.

De acuerdo con Dutra Zanotto, la cristalización comienza con la nucleación de cristales en la superficie o en el interior de las partículas de un vidrio, al sometérselo a altas temperaturas durante un tiempo determinado.

Hace 60 años empezaron a desarrollarse modelos teóricos de este fenómeno. En uno de dichos modelos se planteó que los cristales cúbicos espaciados crecen regularmente a partir de la superficie de las partículas del vidrio, y una vez que se forma una capa totalmente cristalina, los cristales sólo pueden crecer en dirección al centro de la partícula.

Pese a su importancia, estos modelos son matemáticamente complejos y requieren soluciones basadas en métodos numéricos (computacionales), lo cual vuelve difícil su utilización, según explicó Dutra Zanotto.

Con el objetivo de superar estas barreras, los investigadores desarrollaron un nuevo modelo tendiente a describir el fenómeno de la cristalización en condiciones no isotérmicas –a temperatura inconstante– a partir de los sitios de nucleación en la superficie o en el interior de partículas vítreas.

“Nuestro modelo se basa en una ecuación muy sencilla, lo cual facilita bastante su uso y la interpretación de los resultados, y describe de manera sumamente precisa la cristalización en condiciones no isotérmicas”, dijo Dutra Zanotto.

Los investigadores pusieron prueba el nuevo modelo con el objetivo de evaluar la cristalización con base en un número finito de cristales sobre la superficie de partículas de vidrio de diopsida –un compuesto de silicato de calcio y magnesio– y en la superficie y en el interior (simultáneamente) de partículas de disilicato de litio. Para ello emplearon una técnica denominada calorimetría exploratoria diferencial, que permite detectar transiciones vítreas y cristalización.

Los resultados de este nuevo modelo se compararon con los anteriores, más complejos, con base en tres parámetros: la cantidad de núcleos existentes en la superficie, la cantidad de núcleos internos y el tiempo.

Los resultados de esas comparaciones indicaron que, con una ecuación analítica mucho más sencilla, el nuevo modelo suministró resultados análogos a los de los modelos complejos.

Los investigadores estiman que este nuevo modelo podría suministrar una aproximación más realista a las partículas que sinterizan –que se aglutinan mediante calentamiento a temperaturas inferiores a la temperatura de fusión– durante una transformación de fase, tales como las partículas vítreas que se cristalizan simultáneamente durante dicho proceso.

Asimismo, dicho nuevo modelo también puede emplearse para prever transformaciones a partir los límites de los granos en materiales policristalinos como los vitrocerámicos.

“Los modelos teóricos como el que hemos desarrollado son importantes pues ayudan a entender fenómenos y a efectuar pronósticos sin necesidad de realizar experimentos”, dijo Dutra Zanotto.

Suscriptores de la revista Acta Materialia pueden leer el artículo intitulado Simple model for particle phase transformation kinetics (DOI: 10.1016/j.actamat.2018.05.039), de Raphael M. C. V. Reis y Edgar Dutra Zanotto, en el siguiente enlace: www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1359645418303999.