«El vidrio parece funcionar bastante bien», dice el experto en vidrio Mark Ediger, señalando las ventanas que dan a la central eléctrica de la UW-Madison en la calle Dayton. Son el único trozo de vidrio evidente en su despacho, por lo que el debate sobre el vidrio del siglo XXI conlleva repetidas referencias a unas ventanas que, irónicamente, son exactamente el tipo de vidrio que no le interesa demasiado.
«Si se pregunta a una persona normal y corriente qué es el vidrio, señalará una ventana, pero el vidrio es una categoría de materiales mucho más amplia», dice Ediger, profesor de química de la UW-Madison. «Una regla de plástico es un vidrio de polímero. El fuselaje del avión Boeing 787 es un polímero de vidrio reforzado con fibra de carbono. Y la pantalla de un smartphone Samsung está hecha de OLED (diodos orgánicos emisores de luz) que utilizan vidrios orgánicos».
Ediger
Durante 30 años, Ediger ha explorado las propiedades fundamentales del vidrio orgánico al tiempo que inventaba formas de controlar la colocación de las moléculas y frenar la degradación de una sustancia que no tiene la rigidez de un cristal.
Científicamente, el vidrio es un material sólido no cristalino formado por moléculas o átomos empaquetados en innumerables disposiciones diferentes. Los cristales sólo toleran una disposición de empaquetamiento entre vecinos.
Mientras Ediger se coloca a la luz del sol en la ventana, explica que la ciencia del vidrio de «silicato» -el material de las bombillas, las botellas de cerveza y las ventanas y fabricado en gran parte con arena- ya está muy avanzada.
Sin embargo, existen muchos otros vidrios en la vanguardia de la ciencia moderna. Los vidrios que interesan a Ediger, por ejemplo, están hechos de moléculas orgánicas, es decir, compuestos basados en el carbono, el elemento que está en el corazón del conjunto de moléculas más diverso del universo.
Molécula orgánica
Los vidrios son más versátiles que los cristales, dice Ediger. «Para cualquier molécula orgánica, sólo hay unas pocas estructuras cristalinas entre las que elegir; no hay suerte si una de ellas no tiene las propiedades que uno desea. Pero las moléculas en el cristal son realmente flexibles en cuanto a su entorno local y con quién están dispuestas a juntarse, así que para las moléculas orgánicas hay un número infinito de cristales que podemos hacer. Algunos vidrios pueden, por ejemplo, resistir la absorción de agua o ser excepcionalmente duros o resistir la degradación por la luz».
Como en la mayoría de las gafas, las moléculas que producen la luz en un OLED están orientadas más o menos al azar, «pero lo que se quiere es que esas moléculas se coloquen de forma que la luz apunte hacia el ojo», dice. Las técnicas de producción avanzadas para controlar la orientación de las moléculas de los OLED aumentarían la eficacia y prolongarían la duración de las baterías de los móviles. El ligero pero continuo movimiento de las moléculas en el cristal acabará por degradar el rendimiento de los cientos de millones de OLED que se fabrican cada año para iluminar las pantallas de los teléfonos móviles; unos cristales más estables alargarían la vida útil de las pantallas.
Ediger reconoce que esto parece una forma de domesticar a un grupo de moléculas rebeldes. «Si las domamos por completo, obtenemos un cristal, que no queremos, pero hemos encontrado una vía intermedia para producir materiales que son en muchos aspectos mejores que el vidrio tradicional, pero que no son cristales».
Los cristales tienen su utilidad -el cristal de silicio es la base de los chips informáticos, por ejemplo-, pero el vidrio es mejor si se quiere ver a través de una ventana o utilizar la luz para la comunicación digital. «Una fibra óptica tiene que ser capaz de transportar una señal qué -60 millas- sin ser dispersada por los límites entre los cristales», dice Ediger. «No hay forma de hacer eso con los cristales».
En 2007, en la revista Science, Ediger y sus colegas publicaron un avance clave en la búsqueda de un término medio entre la repetición rígida de un cristal y la anarquía amorfa de un vidrio. El artículo describía un vidrio orgánico fabricado al depositar un vapor de moléculas orgánicas sobre una placa fría en una cámara de vacío. «Al principio no sabíamos lo que estábamos haciendo, sólo sabíamos que era extraño, inesperado», dice.
El nuevo material no se comportó como se esperaba bajo la irradiación de neutrones. «Aumentamos la temperatura hasta algo que pensábamos que haría que las moléculas empezaran a moverse, pero tuvimos que aumentar la temperatura otros 25 grados (Celsius) antes de que las moléculas empezaran a moverse. Resultó que habíamos creado una forma de vidrio en la que las moléculas estaban tan bien empaquetadas que no se movían hasta que alcanzábamos una temperatura mucho más alta«.
Ediger había dado con una forma de «pre-envejecer» el vidrio y evitar la aparentemente inevitable degradación causada por ligeros reordenamientos atómicos con el paso del tiempo. «Nuestra contribución fue demostrar que existe un espacio interesante entre el vidrio tradicional y los cristales», dice. «Estás poniendo orden, pero si pones demasiado orden, se convierte en un cristal, y has ido demasiado lejos».
Al final, Ediger descubrió que el proceso de deposición en frío permitía a las moléculas asentarse en una posición «cómoda», «y luego ser enterradas por otra molécula» que las fijaba en su sitio.
La técnica es comparable a la producción instantánea de una antigua cosecha de vino, explica. «Estos materiales tienen efectivamente miles o millones de años. Ya han tenido la oportunidad de encontrar una disposición de empaquetamiento con la que están bastante contentos, y permanecerán ahí durante mucho tiempo».
Ediger, originario de Kansas, dice que comenzó su búsqueda para infundir algo de rima y razón en un material amorfo como estudiante de posgrado en Stanford. «El vidrio era el control de un experimento que estaba haciendo. Se suponía que el vidrio era aburrido y estable, pero me sorprendió lo mucho que traqueteaban las moléculas».
La fascinación de Ediger por el vidrio creció cuando Pat Hyde, su primer estudiante de posgrado de la UW-Madison, «señaló que podíamos hacer experimentos para entender el vidrio de una manera nueva. De un modo u otro, esa conversación ha sido responsable de al menos la mitad de lo que he hecho en la UW-Madison. En una gran universidad hay jóvenes brillantes e interesantes que tienen buenas ideas, y pueden llevar a la ciencia en una dirección que de otro modo no tomaría».
Práctica
Ediger se describe a sí mismo como «una persona práctica», y explica que su objetivo teórico es comprender las reglas que rigen la formación y la inevitable transformación del vidrio a lo largo del tiempo.
La polinización cruzada entre la teoría y los aspectos prácticos continúa en el laboratorio de Ediger, ya que el estudiante graduado Yue Qiu utiliza la deposición al vacío para preparar un nuevo conjunto de compuestos que podrían ser útiles para los OLED. «El trabajo de Yue responde a una cuestión fundamental y también puede ser útil en la práctica», dice Ediger. «Los OLED se deterioran con el tiempo, por lo que las pantallas de los teléfonos móviles se vuelven más tenues, y el trabajo de Yue podría eliminar eso».
Qiu «también está planteando una importante cuestión fundamental que se aplica de forma muy amplia a muchos aspectos de la tecnología del vidrio», dice Ediger. «¿Cómo se pueden empaquetar las moléculas de un vidrio de forma tan hermética que la luz no pueda hacer que las moléculas se reorganicen? Se podrían mejorar las pantallas de los teléfonos móviles por ensayo y error, pero sería un proceso largo. Si logramos identificar los principios, podríamos acortar años».
