Nuevo cristal de gran resistencia

18.08.2023 - Alemania

El Dr. Hu Tang, primer autor del estudio, delante de una prensa de alta presión en el Instituto Bávaro de Investigación en Geoquímica y Geofísica Experimentales (BGI).

UBT / Chr. Wißler

Investigadores de la Universidad de Bayreuth, junto con socios de China y Estados Unidos, han producido un vidrio de óxido con una dureza sin precedentes. Bajo altas presiones y temperaturas, lograron paracristalizar un vidrio de aluminosilicato: Las estructuras cristalinas resultantes hacen que el vidrio soporte tensiones muy elevadas y se mantengan en condiciones ambientales. La paracristalización se revela así como un proceso prometedor para producir vidrios extremadamente resistentes a la rotura. En "Nature Materials", los investigadores presentan sus hallazgos, en los que también ha participado el Sincrotrón Alemán de Electrones (DESY) de Hamburgo.

En muchos aspectos, el vidrio es un material atractivo para las tecnologías modernas. Sin embargo, su fragilidad, que da lugar fácilmente a grietas y fracturas, limita sus aplicaciones potenciales. Los enfoques de investigación para aumentar considerablemente la tenacidad del vidrio conservando sus propiedades ventajosas han fracasado en gran medida a la hora de producir los resultados deseados. El nuevo planteamiento presentado en "Nature Materials" parte de los vidrios de óxido, que tienen una estructura interna bastante desordenada y son los materiales vítreos más utilizados comercialmente. Tomando como ejemplo el aluminosilicato, que contiene silicio, aluminio, boro y oxígeno, el equipo de investigadores de Alemania y China ha conseguido ahora darle una nueva estructura. Para ello, emplearon tecnologías de alta presión y alta temperatura en el Instituto Bávaro de Investigación de Geoquímica y Geofísica Experimentales (BGI) de la Universidad de Bayreuth.

A presiones de entre 10 y 15 gigapascales y a una temperatura de unos 1.000 grados Celsius, los átomos de silicio, aluminio, boro y oxígeno se agruparon para formar estructuras similares a cristales. Estas estructuras se denominan "paracristalinas" porque difieren significativamente de una estructura completamente irregular, pero no se acercan a la clara estructura regular de los cristales. Tanto los análisis empíricos mediante técnicas espectroscópicas como los cálculos teóricos mostraron claramente este estado intermedio entre las estructuras cristalinas y la irregularidad amorfa. Incluso tras un descenso de la presión y la temperatura a condiciones ambientales normales, las estructuras paracristalinas en el vidrio de aluminosilicato permanecen. La penetración en el vidrio de estas estructuras hace que la tenacidad del vidrio sea muchas veces superior a la que tenía antes de la paracristalización. Ahora alcanza un valor de hasta 1,99 ± 0,06 MPa (m)¹/². Se trata de una tenacidad nunca antes medida en vidrios de óxido. Al mismo tiempo, la transparencia del vidrio no se ve seriamente afectada por las estructuras paracristalinas.

Los investigadores explican el extraordinario fortalecimiento del vidrio por el hecho de que las fuerzas que actúan sobre él desde el exterior, que normalmente provocarían roturas o grietas internas, se dirigen ahora principalmente contra las estructuras paracristalinas. Disuelven zonas de estas estructuras y las transforman de nuevo en un estado amorfo y aleatorio. De este modo, el vidrio en su conjunto adquiere una mayor plasticidad interna, de modo que no se rompe ni se agrieta cuando se expone a estas fuerzas o incluso a fuerzas más fuertes.

"Nuestro descubrimiento pone de relieve una estrategia eficaz para desarrollar materiales de vidrio altamente tolerantes a los daños, que tenemos previsto llevar a cabo con nuestras investigaciones en los próximos años", ha declarado el Dr. Hu Tang, primer autor del nuevo estudio. "El aumento de la tenacidad debido a la paracristalización demuestra que los cambios estructurales a nivel atómico pueden tener un impacto significativo en las propiedades de los vidrios de óxido. A este nivel, existe un gran potencial para optimizar el vidrio como material que está lejos de agotarse", añade el Prof. Dr. Tomoo Katsura, del Instituto Bávaro de Investigación en Geoquímica Experimental y Geofísica.

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