Confirman que la estructura atómica del vidrio es icosaédrica

Científicos de la Universidad de Bristol, en el Reino Unido, han logrado un importante avance en la comprensión de la naturaleza del vidrio, lo que, en el futuro, podría suponer que se llegaran a fabricar, entre otras cosas, aviones con alas de este material, informó dicha universidad en un comunicado.

El vidrio es un material duro, frágil y transparente que ordinariamente se obtiene por fusión a unos 1.500 ºC de arena de sílice, carbonato sódico y caliza. La denominada estructura cristalina está caracterizada microscópicamente por la agrupación de iones, átomos o moléculas.

A nivel atómico, los átomos del vidrio se mueven muy despacio, como se movería un coche en medio de un atasco descomunal, por lo que no pueden “alcanzar su destino”: por este motivo, el vidrio nunca llega a ser ni un sólido ni un líquido propiamente dicho.

De hecho, los cuerpos en estado vítreo no presentan una ordenación molecular interna determinada, sino que más bien se observa en ellos un desorden ordenado, es decir, la presencia de grupos ordenados que se distribuyen en el espacio de manera total o parcialmente aleatoria.

Materiales metastables

Durante más de 50 años, los científicos han intentado comprender estas características del vidrio, en especial las razones para este “atasco atómico”. Ahora, según publica la revista especializada Nature Materials, el grupo de investigadores de la Universidad de Bristol, gracias a la observación experimental directa, podría haber aclarado el problema.

El comunicado de la Universidad de Bristol informa que el científico Paddy Royall, en colaboración con investigadores de Canberra y de Tokio, ha demostrado que el vidrio “fracasa” en su solidez o en su capacidad para ser un material sólido debido a las estructuras atómicas especiales que se forman en su interior cuando el vidrio se enfría, esto es, cuando los átomos llegan a su “destino” conformando un material de particulares características vítreas.

Irregularidad e icosaedro

Por tanto, el problema de la fragilidad de este material radicaría, según explicó Royall, en que, cuando el vidrio se enfría, sus átomos se atascan produciendo un patrón casi aleatorio, evitando así la regularidad. La cuestión es: ¿por qué sucede este fenómeno, cuando otros materiales cristalizan cuando se enfrían, organizando sus átomos en un patrón altamente regular?

En los años 50 del pasado siglo, el físico Sir Charles Frank.html, también de la Universidad de Bristol, sugirió que el atoramiento de los átomos del vidrio podría deberse a que se organizan en forma de icosaedros, que es un poliedro de veinte caras, convexo o cóncavo. Estas caras son a su vez polígonos de diecinueve lados o menos.

La hipótesis de Frank, sin embargo, no pudo ser probada en aquellos tiempos por falta de medios tecnológicos. Royall y sus colaboradores decidieron comprobar que dicha teoría era cierta con los medios con los que se cuenta en la actualidad.

Partículas visibles

El obstáculo inicial es que no se podía observar a los átomos del vidrio directamente durante su enfriamiento debido, simplemente, a que éstos eran muy pequeños. Por esa razón, los investigadores utilizaron unas partículas especiales denominadas coloides, que no son apreciables a simple vista pero sí que son mucho mayores que cualquier molécula.

Los coloides imitan a los átomos y pueden observarse utilizando un microscopio moderno. Royall enfrió estas partículas y comprobó lo que ocurría: el gel que estas partículas formaron tendía a convertirse en un cristal, organizándose en estructuras similares al icosaedro, tal y como predijo Frank hace 50 años. Es la formación de estas estructuras icosaédricas lo que subyace a los materiales cuyos átomos se “atascan” y lo que explicaría por qué el vidrio es vidrio y no un líquido o un sólido.

Este descubrimiento de la estructura que forman los átomos a medida que el vidrio se enfría supone un gran avance en la comprensión de la naturaleza del vidrio y permitirá futuros desarrollos de nuevos materiales, como vidrios metálicos flexibles.

Nueva gama de materiales

Los metales normalmente cristalizan cuando se enfrían, y la tensión que se acumula en las uniones entre los cristales provoca fallos en el metal. Por ejemplo, el primer avión comercial del mundo, el británico De Havilland Comet padeció esta fatiga del metal con resultados catastróficos.

Si un metal puede enfriarse con la misma estructura atómica que un cristal, sería apropiado para la fabricación de una amplia gama de productos que necesitan ser flexibles, como las alas de los aviones, los palos de golf o algunas piezas de motores.

Estas observaciones abrirían además una nueva perspectiva para la creación de toda una amplia gama de materiales metastables, es decir, materiales con un estado de equilibrio débilmente estable que, bajo la acción de determinadas condiciones externas, podrían evolucionar hacia un estado de equilibrio fuertemente estable.