Tanto los rayos como los volcanes producen vidrio, y el ser humano lleva fabricando vidrio a partir de dióxido de silicio desde la prehistoria. La industrialización nos trajo los vidrios a base de boro, los vidrios poliméricos y los vidrios metálicos, pero ahora un equipo internacional de investigadores ha desarrollado una nueva familia de vidrios a base de metales y compuestos orgánicos que se equipara a la sílice original en cuanto a capacidad de formación de vidrio.
Formación
La capacidad de formación de vidrio es la capacidad de un líquido para evitar la cristalización durante el enfriamiento.
«El vidrio es un líquido congelado en un material parecido a un sólido en forma no cristalina», dijo John C. Mauro, profesor de ciencia e ingeniería de materiales de Penn State. «Mecánicamente se comporta como un sólido, pero está a medio camino entre un líquido y un sólido».
La clave para fabricar vidrio es fundir los materiales de partida y luego conseguir enfriarlos de algún modo para que no se formen cristales. Una forma de hacerlo es mediante el enfriamiento rápido o quenching. Esto acorta el tiempo disponible para la formación de cristales debido a la rápida caída de la temperatura.
El vidrio de sílice básico tiene una estructura tetraédrica con silicio en el centro y cuatro átomos de oxígeno en las esquinas. Un tetraedro es una pirámide triangular. Cada oxígeno se une a otro tetraedro centrado en el silicio.
El vidrio metal-orgánico que produjeron los investigadores sustituye el silicio por zinc, pero utiliza dos compuestos orgánicos similares pero diferentes en las esquinas: el imidazolato y el benzimidazolato. Estas moléculas orgánicas ocupan aleatoriamente el lugar de los átomos de oxígeno en las esquinas del tetraedro.
El vidrio de sílice tenía la mejor capacidad de formación de vidrio de todos los vidrios hasta que los investigadores sintetizaron el vidrio metal-orgánico ZIF-62 a base de zinc, según informan hoy (9 de marzo) en línea en Science Advances. Observaron que cuanto más benzimidazolato se incorporaba a la estructura metálica/orgánica, mejor era la capacidad de formación de vidrio. Los líquidos más viscosos con los ligandos más voluminosos son los que mejor resisten la cristalización.
Vidrio metal-orgánico
El ZIF-62 tiene la mejor capacidad de formación de vidrio de los 50 vidrios existentes y, mientras que el vidrio de sílice estándar es frágil, el vidrio metal-orgánico es mucho más flexible, lo que también puede contribuir a su capacidad de formación de vidrio.
El vidrio orgánico a base de zinc es más difícil de producir que el vidrio de sílice porque primero hay que sintetizar los compuestos orgánicos imidazolato y benzimidazolato, mezclados con nitrato de zinc hidratado y un disolvente. A continuación, la mezcla se funde a unos 800 grados Fahrenheit.
La temperatura es importante porque la mezcla tiene que fundirse por completo, pero sin alcanzar los 980 grados Fahrenheit aproximadamente, momento en el que el vidrio fundido se vaporizaría.
Los investigadores analizaron algunas propiedades de los materiales mediante diversos métodos espectroscópicos y difracción de rayos X. También midieron las propiedades mecánicas y la transmisión óptica del vidrio fundido. Algunas de estas pruebas se realizaron en Corning Inc. en Corning, Nueva York.
«Esta familia de vidrios es tan nueva que, aunque hemos determinado su capacidad de formación de vidrio y algunas otras propiedades, no hemos caracterizado completamente todas sus propiedades materiales», dijo Mauro. «También hay que investigar cómo escalar este proceso para su fabricación».
Los investigadores también quieren identificar otras combinaciones metálicas-orgánicas para fabricar distintos vidrios. Su próximo plan es estudiar un vidrio basado en el cobalto.
