Un científico brasileño propone una nueva definición del vidrio

Es un estado fuera del equilibrio termodinámico y no cristalino de la materia, que parece sólido a una escala de tiempo corta, pero que se relaja continuamente en dirección al estado líquido

Por Elton Alisson  |  Agência FAPESP – ¿El vidrio es un material sólido o líquido? A esta pregunta, que ha venido siendo discutida con ahínco durante las últimas décadas por expertos del área, se le ha dado ahora una nueva respuesta: “El vidrio es un estado fuera del equilibrio termodinámico (un estado en el cual los equilibrios térmico, químico y mecánico ocurren simultáneamente) y no cristalino de la materia, que parece sólido a una escala de tiempo corta, pero que se relaja continuamente en dirección al estado líquido”.

Otra definición alternativa y más detallada es la siguiente: “El vidrio es un estado fuera del equilibrio termodinámico y no cristalino de la materia condensada, que exhibe una transición vítrea. Las estructuras de los vidrios son similares a las de los líquidos superenfriados (LSE) y se relajan espontáneamente en dirección al estado de LSE. Su destino final, para tiempos infinitamente largos, es cristalizar”.

Las propuestas de estas nuevas definiciones del material son de Edgar Dutra Zanotto, profesor del Departamento de Ingeniería de Materiales de la Universidad Federal de São Carlos (UFSCar) y coordinador del Center for Research, Technology and Education in Vitreous Materials (CerTEV) –uno de los Centros de Investigación, Innovación y Difusión (CEPIDs) financiados por la FAPESP–, y de John Mauro, docente del Departamento de Ingeniería y Ciencia de Materiales de la Penn State University, de Estados Unidos, y salieron en un artículo publicado en Journal of Non-Crystalline Solids.

“Hay una serie de definiciones de vidrio, pero la mayoría contiene errores graves. Muchas definiciones explican que el vidrio es un sólido, y otras que es un material isotrópico [cuyas propiedades son las mismas en diferentes direcciones], pero muchos vidrios no lo son”, declaró Zanotto a Agência FAPESP.

“Por eso resolvimos realizar una revisión crítica y condensada del estado del arte sobre los vidrios y mostrar que éstos tienen una estructura muy distinta a la de los materiales sólidos, puesto que se relajan continuamente y cristalizan”, explicó.

La iniciativa de plantear una nueva definición del vidrio surgió durante una clase inaugural intitulada “Glass Myths”, que el investigador dictó durante el evento de conmemoración del centenario de la Society of Glass Technology (SGT), realizado en la University of Sheffield, en el Reino Unido, a comienzos de septiembre del año pasado.

La referida clase, denominada Turner Memorial Lecture, es organiza por la universidad inglesa desde 1966 y ha contado con nombres tales como sir Harry Kroto (1939-2016), premio Nobel de Química de 1996 por el descubrimiento de los fulerenos (formas alotrópicas de carbono), sir Alastair Pilkinton (1920-1995), inventor del proceso float, utilizado mundialmente en la fabricación de vidrio plano, y Larry L. Hench (1938-2015), inventor de los biovidrios (lea más en: agencia.fapesp.br/23991).

Zanotto, el primer brasileño que es invitado a dictar esta clase inaugural, efectuó durante su presentación precisamente la pregunta acerca de si el vidrio es un material sólido o líquido.

Dicha pregunta resultó en una discusión acalorada con diversos científicos que estaban presentes entre el público, especialmente con Arun Varshneya, profesor emérito de la Alfred University, de Estados Unidos, conocido como “el gurú de los vidrios” y autor de uno de los libros sobre vidrios más leídos en el mundo.

Con base en esa discusión, Zanotto inició posteriormente un intercambio de e-mails con Varshneya y empezó a redactar un artículo tendiente a desmitificar la idea de que el vidrio es un sólido, tal como sostenía el propio investigador indio radicado en Estados Unidos.

“Hay innumerables evidencias descritas en decenas de artículos que muestran que el vidrio posee características muy distintas a las de los sólidos”, afirmó Zanotto.

Una de dichas características, de acuerdo con el investigador, indica que los vidrios tienen una estructura muy parecida a la de los líquidos a partir de los cuales se forman.

Otra característica indica que éstos fluyen (se deforman) espontáneamente con el paso del tiempo y mediante una presión mínima, que puede ser menor que la acción de la gravedad. En tanto, los materiales sólidos cristalinos sólo se deforman al aplicárseles una presión externa inversamente proporcional a la temperatura.

Cuanto menor es la temperatura, mayor es la tensión que deberá aplicársele a un cristal sólido para deformarlo, comparó Zanotto.

“Por otro lado, cualquier presión o tensión positiva distinta de cero es suficiente para que un vidrio fluya a cualquier temperatura. El tiempo que tarda en deformarse depende mucho de la temperatura y de la composición química”, explicó Zanotto.

“Si la temperatura a la que se somete al vidrio se ubica cerca del cero Kelvin [el cero absoluto] pasará un tiempo infinitamente largo hasta que el material se deforme. Pero si se lo calienta, empezará a fluir”, afirmó.

La tercera característica que diferencia al vidrio de un material sólido consiste en que al final de su existencia termina por cristalizar, en tanto que un cristal, por ejemplo, dado que ya se encuentra en un estado sólido, no fluye ni cristaliza.

Con base en estas tres características, Zanotto y Mauro plantean que podría definirse a los vidrios como frozen liquids: materiales con la estructura de un líquido que fueron congelados sin cristalizar al enfriárselos por debajo de una determinada temperatura, denominada temperatura de transición vítrea.

“Tardamos mucho tiempo para juntar estos conceptos de sólido y líquido, cristal y no cristal y de frozen, que en el artículo tiene el significado de un estado temporal, para llegar a la definición moderna y mejorada del vidrio”, dijo Zanotto.

Puede leerse el artículo intitulado The glassy state of matter: its definition and ultimate fate (doi: 10.1016/j.jnoncrysol.2017.05.019), de Zanotto y Mauro, en el Journal of Non-Crystalline Solids, en el siguiente enlace: sciencedirect.com/science/article/pii/S0022309317302685#.