29 enero 2010

Los vidrios transparentes metálicos

Este artículo forma parte de la 3ª edición del carnaval de física.

Todos hemos visto cristales transparentes en las ventanas, puertas, paredes, espejos, vajilla… y la mayoría sabemos que están compuestos de elementos no metálicos (fusión a unos 1.500 °C de arena de sílice, carbonato de sodio y caliza). Otros menos sabrán que realmente el cristal se debería llamar “vidrio“, ya que es un sólido amorfo sin estructura atómica regular, lo que le confiere precisamente esas propiedades. En ocasiones se le inyectan elementos metálicos, lo que confiere color al vidrio, obteniendo lo que solemos ver en nuestra vida diaria (cristaleras, botellas verdes y de otros colores, gafas de sol, etc.)

La estructura del vidrio le confiere una gran fragilidad, lo que hace que cualquier cosa transparente nos haga pensar al momento: cuidado con el objeto, se puede romper. Sin embargo ¿hay formas de reforzarlo? Lo que se conoce actualmente, entre otras técnicas, es el vidrio armado, que consiste simplemente en insertar en su interior una malla metálica, lo que lo hace menos transparente y claramente se sabe que está protegido. Además, este tipo de reforzamiento no aumenta la dureza, sino más bien evita que los trozos de cristal se desperdiguen produciendo lesiones o provocando la caída y abertura del cristal.

¿Qué sabemos de los cristales blindados? Son vidrios con capas alternadas de policarbonatos que permiten a éstos resistir impactos de balas de 9mm, pero sigue siendo insuficiente para una aplicación puramente militar o para impactos aún más grandes. ¿De qué haces el cristal delantero de un tanque? Normalmente las aberturas delanteras de los tanques están vacías, y en los más modernos simplemente no hay contacto directo con el exterior, sino a través de telecomunicaciones, láseres y cámaras. ¿Qué tal si pudieras hacer dicho cristal delantero del mismo material que el propio tanque?

Ahí entran en juego los vidrios metálicos transparentes. Para entender cómo se forman hay que entender qué es un vidrio, un sólido y un líquido. Un vidrio es un material amorfo, es decir, no tiene una ordenación molecular regular, al igual que un líquido. Sin embargo, el vidrio es sólido. Esto es posible debido a que el vidrio no es más que un líquido con un índice de viscosidad tan alto (sus valores se expresan en potencias de diez) que nunca fluiría o tardaría miles de años en hacerlo. Para obtenerlo, hay que enfriar un líquido (normalmente el material base fundido) tan rápidamente que no le dé tiempo a sus átomos y moléculas a reorganizarse regularmente, formando un cristal. En el caso de los sílices y carbonatos estas temperaturas y estas velocidades de enfriamiento se alcanzan tan fácilmente que puedes crear cristal en un taller cualquiera con una dotación básica. Y así se lleva haciendo miles de años.

¿Qué pasa en el caso de los metales? Las temperaturas de fusión y las velocidades de enfriamiento son tan altas que difícilmente se pueden conseguir equipamientos necesarios para producir vidrio metálico. Sin embargo, el resultado es magnífico. Puedes ver esta imagen de componentes del LHC, vidrios de plomo-tungsteno que, como puedes apreciar, son razonablemente transparentes. Te puedes imaginar la altísima resistencia mecánica y térmica que pueden poseer estas barras, más que suficiente para las enormes exigencias de la máquina más grande y avanzada del mundo.

A diferencia de los vidrios comunes, éstos tienen muchas de las propiedades del metal del que están compuestos, incluso superiores. Debido a que los metales tienen estructuras cristalinas, suelen tener puntos débiles (doblado, aplastamiento, estiramiento, fragilidad en determinadas orientaciones, etc.) Al ser el vidrio una estructura amorfa, se resuelven estos problemas conservando gran parte de la resistencia mecánica y térmica del metal. Además pueden ser más fácilmente moldeados y manipulados en la forma deseada que el metal puro. Una posible desventaja sería que serían más vulnerables a ataques químicos que los vidrios comunes, cuya resistencia es ya bien conocida en su uso como probetas y envases de laboratorio para líquidos corrosivos. Un metal común puede ser revestido o pintado con materiales protectores como se hace comúnmente para evitar la corrosión, pero en el caso de un vidrio transparente o encuentras pintura transparente o se te ha estropeado el invento.

Veamos qué nos traerá el futuro sobre estos nuevos materiales.

Bibliografía y referencias: