Cómo el vidrio aprende a iluminarse y a crear calor

Entre otras cosas, puede utilizarse para fabricar microrreactores de vidrio eléctricamente conductores y autocalentables para las industrias química y farmacéutica

31.03.2022 - Alemania

Objetos de vidrio que brillan en la oscuridad, recipientes de vidrio que se calientan y se enfrían, o mandos e interruptores de vidrio que eliminan por sí solos los virus y las bacterias: todo esto parece contradecir por completo nuestra experiencia cotidiana de lo que puede hacer el vidrio. Y, sin embargo, ahora está al alcance de la mano. Para crear estos vidrios funcionalizados y moldeados con precisión, los equipos de investigación del Fraunhofer IKTS de Dresde han trasladado su experiencia en procesos cerámicos a la fabricación de vidrio.

Gracias a las nuevas posibilidades de moldeado, el vidrio puede procesarse a temperaturas significativamente más bajas y, por tanto, mezclarse con cargas que permiten nuevas funciones. Esto abre un amplio abanico de nuevos campos de aplicación en la industria aeroespacial, la ingeniería de seguridad, la construcción de vehículos o la tecnología de laboratorio, para los que antes el vidrio apenas era una opción. Dependiendo del proceso utilizado, ahora son posibles formas y propiedades muy diferentes y complejas que antes no eran posibles en absoluto o que requerían costosas y, a veces, perjudiciales etapas de procesamiento posterior. Entre ellos se encuentra una amplia gama de colores, pero también vidrios sin metales, conductores de la electricidad, calefactores, antibacterianos y luminiscentes. Además, los métodos de conformación del vidrio de IKTS reducen en muchos casos el consumo de energía, el tiempo de trabajo y otros recursos en la fabricación de componentes de vidrio.

El vidrio tiene un aspecto más valioso y un "toque frío"

"Esto abre nuevas perspectivas para este material", subraya el Dr. Tassilo Moritz, jefe del departamento del IKTS. Por ejemplo, el vidrio tiene el potencial de limitar el uso masivo de plástico para muchos pequeños objetos cotidianos en favor de soluciones sostenibles: si el vidrio puede colorearse, moldearse y funcionalizarse casi a voluntad, los pomos de plástico de autobuses, tranvías o ascensores, por ejemplo, podrían sustituirse por elementos de control hechos de vidrio. Lo mismo ocurriría con los tiradores de los muebles y los pomos de las guarderías, las residencias de ancianos o los hospitales. "El vidrio sigue siendo algo más caro que el plástico", admite el Dr. Jochen Schilm, jefe del grupo IKTS. "Pero, por otro lado, es más duradero y más higiénico. El vidrio no se vuelve quebradizo ni se raya con tanta facilidad, y además resiste mejor las influencias químicas y la radiación UV." También está el aspecto del diseño: "El vidrio simplemente tiene mejor aspecto y sensación".

Nueva forma de vidrio a través del entrelazamiento molecular

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Antecedentes: Aunque se calcula que la humanidad lleva produciendo y procesando vidrio desde hace 3.500 años, en el pasado nunca se pudieron superar del todo ciertos puntos débiles de las tecnologías del vidrio establecidas. Por ejemplo, sólo se pueden producir piezas con bordes redondeados a partir del vidrio fundido. Cuando se requieren formas precisas y con bordes afilados, el material necesita un costoso reafilado. Para crear microestructuras, como se requiere en la tecnología de laboratorio, por ejemplo, los fabricantes de vidrio deben recurrir a menudo a procesos de grabado con ácido fluorhídrico, peligroso y perjudicial para el medio ambiente. Además, es muy difícil perforar agujeros en el vidrio clásico.

La adición de grafito hace que el vidrio sea conductor

Para superar estas limitaciones, los ingenieros del Instituto Fraunhofer de Dresde han adaptado varias tecnologías que antes eran típicas de la cerámica y los plásticos. Un ejemplo: añaden grafito a un polvo de vidrio. El vidrio reciclado también puede utilizarse aquí como contribución a la economía circular. A partir de esta mezcla de polvo de vidrio y grafito, se crea la llamada materia prima, que se inyecta en una herramienta de conformación en una máquina de moldeo por inyección que produce geometrías y microestructuras precisas. Entre otras cosas, esto puede utilizarse para producir microrreactores de vidrio eléctricamente conductores y autocalentables para las industrias química y farmacéutica.

El polvo de vidrio también puede combinarse con pigmentos de color o partículas fosforescentes. Así se obtienen componentes de vidrio luminiscentes que, por ejemplo, pueden marcar rutas de escape en entornos oscuros incluso después de un corte de luz, iluminar las manecillas y pantallas de los relojes o los accesorios de vehículos y aviones, o simplemente dar un brillo elegante a las joyas.

Impresión en 3D para micromezcladores de vidrio

Los expertos de IKTS utilizan tecnologías de fabricación aditiva industrial para componentes especialmente complejos, como los micromezcladores. Puede ser, por ejemplo, el llamado proceso de fotopolimerización en cuba, en el que el polvo de vidrio se agita en un plástico fotocurable y, tras construir capa a capa para formar un componente, se cura con luz azul, comparable a un empaste en el dentista. Otro proceso de impresión aditiva es el "multi material jetting". En este caso, el sistema deposita una cera líquida rellena de partículas de vidrio en pequeñas gotas.

Dado que el cuerpo inacabado, o "verde", producido por estos procesos se encoge durante la posterior sinterización, como es habitual en los componentes cerámicos, se requiere una gran experiencia para lograr exactamente las dimensiones proyectadas del componente al final. "Para algo así, se necesita un régimen de sinterización muy preciso", afirma el Dr. Jochen Schilm. Y aquí es donde los investigadores del Fraunhofer IKTS tienen una experiencia especial: durante décadas, han adquirido una gran experiencia con los procesos de sinterización y la funcionalización en la cerámica, que ahora han trasladado también al material vidrio.

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