Nuevo cristal del ordenador

Los investigadores de materiales están desarrollando métodos asistidos por ordenador que permiten fabricar vidrio con mayor eficiencia energética y de tiempo.

16.05.2023 - Alemania

El vidrio es un material muy especial: puede producirse en una variedad casi ilimitada a partir de compuestos de casi todos los elementos de la tabla periódica. El único requisito es que los componentes puedan fundirse entre sí y que la masa fundida se enfríe con la suficiente rapidez. En el proceso, la mezcla líquida se solidifica y forma un vidrio. "El vidrio es, por tanto, un líquido congelado", explica el Prof. Dr. Lothar Wondraczek, químico del vidrio de la Universidad de Jena. Tan grande es la diversidad de composición como variadas son las propiedades de los vidrios resultantes.

Para la ciencia de los materiales, sin embargo, esto supone un problema, porque a diferencia de los materiales cristalinos, el vidrio no tiene una estructura interna ordenada. Al contrario, tras enfriarse, sus componentes atómicos permanecen dispuestos más o menos como estaban en estado líquido. Los científicos de materiales hablan de desorden correlacionado: aunque básicamente no hay una disposición periódica y recurrente de los átomos, tampoco hay pura aleatoriedad. En su lugar, existen ciertas reglas de construcción y correlaciones que resultan de la interacción de los componentes entre sí. "Para encontrar recetas químicas de vidrios con propiedades adaptadas, a menudo son necesarios procesos de optimización largos y complejos desde el punto de vista experimental", afirma Wondraczek. "Por tanto, es un reto especial encontrar exactamente las reglas de construcción y las correlaciones químicas que son significativas para una determinada propiedad o combinación de propiedades". Por ejemplo, la interacción de determinados componentes químicos puede dar lugar a una mejora de la resistencia mecánica. Sin embargo, si el vidrio también debe tener una conductividad iónica definida para aplicaciones de baterías, por ejemplo, podrían ser relevantes correlaciones químicas completamente distintas. Investigadores dirigidos por Lothar Wondraczek han presentado ahora un método que puede hacer mucho más rápida y eficaz la búsqueda de tales dependencias correlacionadas en el futuro. Según informan en la revista científica "Advanced Science", esperan que esto abra nuevas vías para obtener materiales de vidrio con propiedades optimizadas.

¿Qué "genes" determinan las propiedades del material?

Las correlaciones estructurales-químicas que subyacen a las propiedades prácticas se denominan -en referencia a las ciencias de la vida- sorprendentemente "genes"; la totalidad de todas las propiedades de un material resulta así de su "genoma". Por ejemplo, los investigadores de Jena se han fijado en la conductividad de los iones de sodio. En vidrios complejos, llamados poliiónicos, quieren averiguar qué combinaciones de componentes químicos son responsables de la conductividad prácticamente alcanzable. Estos vidrios conductores de iones pueden utilizarse, por ejemplo, en baterías de estado sólido. "En primer lugar, necesitamos un conjunto de datos experimentales suficientemente amplio y fiable, que podamos investigar con métodos de análisis genómico", explica Zhiwen Pan, primer autor de la publicación. Comparable a los métodos utilizados en bioinformática, este método busca los "genes" que determinan las propiedades, salvo que en este caso se trata de un material y no de un organismo vivo.

El vidrio poliiónico investigado consiste en una combinación de óxidos, fluoruros, sulfatos, fosfatos y cloruros. Las propiedades observables del material son el resultado de las interacciones de esta multitud de componentes químicos. Sin embargo, debido a su complejidad, las afirmaciones sobre la estructura y la disposición espacial de los elementos básicos sólo son posibles hasta cierto punto, por lo que las propiedades resultantes son difícilmente predecibles. En lugar de largos experimentos de laboratorio, ahora es posible determinar las composiciones óptimas con ayuda de modelos analíticos. "También hemos podido demostrar que los 'genes' que encontramos ahora encajan muy bien con lo poco que sabemos sobre la estructura de estos vidrios a partir de investigaciones espectroscópicas", resume Wondraczek.

En la tradición de Otto Schott

En su "análisis del genoma" del vidrio, el equipo de Jena continúa los planteamientos metodológicos que introdujo por primera vez en Jena hace 130 años Otto Schott, el pionero de la investigación del vidrio. "Schott fue el primero en desarrollar vidrios modernos mediante variaciones sistemáticas de la composición química. A partir de sus observaciones, dedujo correlaciones entre la química y las propiedades prácticas", afirma Wondraczek. Junto con el físico Adolf Winkelmann, entonces profesor de la Universidad de Jena, Schott tradujo estos hallazgos en modelos matemáticos de regresión, en cierto modo precursores de lo que los investigadores utilizan hoy en día como parte del "aprendizaje automático".

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