Un estudio explica el papel de ciertos óxidos en la estructura y en el desarrollo de vidrios especiales

Sus aplicaciones abarcan desde la astronomía hasta la medicina, e incluyen también la transmisión de datos y energía. Mediante la combinación de técnicas de espectroscopía con modelado computacional, el referido trabajo demostró de qué manera la estructura de estos materiales se ve afectada por el agregado de óxido de niobio

Por José Tadeu Arantes  |  Agência FAPESP – En el marco de un estudio realizado en el Centro de Investigación, Educación e Innovación en Vidrios (CeRTEV) con sede en la ciudad de São Carlos, en el estado de São Paulo, Brasil, se demostró por primera vez que la inclusión de óxido de niobio (Nb₂O₅) en vidrios compuestos de silicatos resulta en la polimerización de la red de silicio (Si), lo que aumenta la densidad de las uniones y la conectividad del material. A su vez, esto mejora la estabilidad mecánica y térmica de los vidrios especiales.

Los resultados de la referida investigación, que contó con el apoyo de la FAPESP, se publicaron en la revista Acta Materialia, en un artículo cuyo autor principal es Henrik Bradtmüller, del Centro de Ciencias Exactas y Tecnología (CCET) de la Universidad Federal de São Carlos (UFSCar), en donde realiza un posdoctorado con beca de la FAPESP bajo la supervisión de Edgar Dutra Zanotto, director del CeRTEV y coordinador del estudio.

El CeRTEV es uno de los Centros de Investigación, Innovación y Difusión (CEPIDs) financiados por la FAPESP, cuya sede se encuentra en la Universidad Federal de São Carlos (UFSCar).

“En nuestro estudio combinamos observaciones experimentales mediante el empleo de espectroscopía de resonancia magnética nuclear y espectroscopía Raman con modelado computacional. Aparte de los resultados mencionados, verificamos que tenores más altos de niobio generan el agrupamiento del óxido de niobio (Nb₂O₅), lo que aumenta la polarizabilidad electrónica del vidrio, con un impacto importante sobre sus propiedades ópticas”, dice Bradtmüller.

Cabe recordar que la espectroscopía Raman suministra información precisa sobre la estructura molecular de distintos materiales, mientras que la espectroscopía de resonancia magnética nuclear (RMN) explora también las propiedades magnéticas de sus núcleos atómicos. “Nuestra estrategia al combinar ambas técnicas de observación con el modelado computacional podrá utilizarse para estudiar elementos funcionales de muchos otros tipos de vidrios, lo que incluye materiales ópticos, vidrios bioactivos y conductores vítreos de iones rápidos. Esto facilitará el diseño de fórmulas innovadoras de vidrios adaptadas a diversas aplicaciones”, subraya el investigador.

Bradtmüller hace hincapié en que además de las aplicaciones habituales de los vidrios comunes, aquellos que se emplean en la fabricación de recipientes y tabiques, los vidrios de alta calidad también se han vuelto prácticamente omnipresentes en nuestro cotidiano: se los puede hallar desde en componentes de microscopios y telescopios de investigación científica hasta en fibras ópticas para la transmisión de datos y energía, además de en órtesis vitrocerámicas, con aplicaciones cada vez vastas más en medicina. “En reconocimiento al rol que desempeñan en la sociedad contemporánea, la Organización de las Naciones Unidas (ONU) declaró a 2022 como el Año Internacional del Vidrio”, informa.

Para dar cuenta de las aplicaciones avanzadas en dispositivos de alta tecnología, los científicos de materiales están poniendo el foco en el diseño de vidrios con propiedades personalizadas, utilizando recursos computacionales como el aprendizaje automático. No obstante, esto depende de dos factores críticos: crear bases de datos amplias y confiables, y definir parámetros estructurales que tengan en cuenta la compleja naturaleza fisicoquímica del vidrio y sus propiedades funcionales. Y allí entra en juego el estudio referido.

“Existe un tipo de óxidos denominados intermedios que cumple un rol estratégico en este nuevo momento tecnológico. Estos no forman vidrios en condiciones estándar de enfriamiento en laboratorio. Pero en presencia de otros óxidos, pueden contribuir positivamente componiendo puentes de oxígeno y dotando de propiedades de interés al vidrio que se ha formado. Este es el caso del óxido de niobio”, afirma Bradtmüller.

Los vidrios con niobio (Nb) cobran valor debido a sus propiedades ópticas no lineales, con potenciales aplicaciones en dispositivos optoeléctricos, como así también por sus propiedades mecánicas, y se utilizan en la elaboración de materiales bioactivos. “Pese a que ya se han realizado diversos estudios con Nb₂O₅, el papel estructural del niobio permanecía oscuro, fundamentalmente debido a la falta de datos sistemáticos de caracterización espectroscópica. Esta fue la laguna de conocimiento que rellenamos con nuestro estudio”, puntualiza Bradtmüller.

Y así lo explica: “A través de la espectroscopía descubrimos que el agregado de niobio causa una ‘polimerización’ de la red de silicio-oxígeno (Si-O), es decir, un aumento de la conectividad de los elementos componentes del vidrio. Esto dilucidó el papel del niobio como ‘formador de red’. Asimismo, y este fue otro destacado de la investigación, demostramos que una nueva técnica de RMN, que desarrollamos en 2020 utilizando otros materiales, es aplicable a vidrios. Esta técnica, denominada W-RESPDOR, permite medir las distancias entre dos elementos, en este caso, el litio (Li) y el niobio (Nb), siendo que este último constituye un núcleo desafiador, ya que antes resultaba imposible medirlo mediante técnicas análogas”.

El investigador comenta que el modelado computacional permitió descubrir que en vidrios a base de sílice a escala de 5 a 10 nanómetros los iones de litio se distribuyen de forma aleatoria, mientras que el niobio tiende a formar agrupamientos con altos tenores de Nb₂O₅. Según Bradtmüller, este tipo de ordenamiento estructural nunca había sido reportado en la literatura y constituye por ello un aporte original de la investigación.

“Desde un punto de vista más amplio, este trabajo suministró una estrategia experimental y computacional tendiente a dilucidar el papel que cumplen en los vidrios los óxidos intermedios, que poseen núcleos activos para la espectroscopía de RMN”, añade el profesor Zanotto.

El estudio contó también con la colaboración de Hellmut Eckert, vicedirector del CeRTEV y experto en resonancia magnética nuclear (RMN), y de Anuraag Gaddan, becario posdoctoral bajo la supervisión de Eckert y especialista en técnicas de simulación computacional.

Puede accederse a la lectura del artículo intitulado Structural impact of niobium oxide on lithium silicate glasses: Results from advanced interaction-selective solid-state nuclear magnetic resonance and Raman spectroscopy en el siguiente enlace: www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1359645423003920.