Los rayos X revelan cómo pierden estabilidad las gafas
El experimento PETRA III muestra cómo se comportan los átomos del vidrio cuando aparecen debilidades
¿El vidrio es sólido o líquido? Existe la idea errónea de que el vidrio antiguo, que suele ser más grueso en la parte inferior que en la superior (como las vidrieras de las catedrales), fluye hacia abajo con el tiempo porque en realidad es un líquido extremadamente viscoso. Hasta cierto punto, es cierto, el vidrio fluye con extrema lentitud, pero se trata de un estado intermedio entre el sólido y el líquido. Investigadores de Italia y Bélgica se han unido a los científicos del DESY en PETRA III para descubrir los secretos de la estabilidad del vidrio. Para ello, estudiaron el movimiento de los átomos en el vidrio al introducir deformidades en él. Los resultados se han publicado en la revista Physical Review X.
Los vidrios son sustancias interesantes: a menudo son transparentes y parecen sólidos, pero carecen de una de las principales propiedades de los sólidos. Se trata de la cristalización, es decir, la formación de estructuras ordenadas de átomos que se repiten y que son clásicas en los materiales sólidos. En cambio, los vidrios son desordenados: sus átomos no mantienen un patrón regular, lo que se asemeja a un estado líquido, pero son lo suficientemente estables como para mostrar las cualidades de un sólido. Estas diferencias a escala atómica permiten que aparezcan características muy distintas a las de los sólidos del mismo material. En el caso del vidrio de sílice, el que más utilizamos en la vida cotidiana, presenta las mismas propiedades mecánicas y ópticas en todas las direcciones y tiene un peso relativamente ligero en comparación con su volumen. Además, en estudios recientes realizados en el DESY, el mismo equipo italo-belga descubrió que los átomos del vidrio pueden sufrir lo que se denomina "aceleración estocástica", lo que significa que pueden saltar de una zona a otra del material cuando se exponen a rayos X.
En el estudio actual, el equipo evaluó cómo se producía este movimiento en relación con los cambios en la estabilidad del vidrio. De hecho, cuando los vidrios se estiran una pequeña cantidad, la posición de la mayoría de los átomos cambia de forma similar a la de los sólidos, y los átomos vuelven a su sitio cuando termina la deformación. Sin embargo, incluso con el menor estiramiento posible, algunos átomos no vuelven a su sitio cuando termina la deformación, lo que significa que el comportamiento del vidrio es siempre algo "plástico". La tendencia de los vidrios a comportarse de forma plástica se hace cada vez más evidente cuando el estiramiento es mayor, pero también cuando el vidrio recibe rayos X, ya que ambas acciones tienden a debilitar el vidrio. Sin embargo, aún se discute cómo se manifiestan exactamente estas debilidades. El equipo quería examinar cómo se produce esta plasticidad y cómo se relaciona este escenario con las aceleraciones atómicas que habían presenciado anteriormente. "Utilizando rayos X producidos por la línea de luz P10 de PETRA III, examinamos vidrios similares a los utilizados en las ventanas. Como los rayos X inducen debilidades en el vidrio similares a los cambios físicos que hacen que los vidrios sean más plásticos, pudimos monitorizar in situ los cambios atómicos en el vidrio", explica Michael Sprung.
Su principal conclusión: las aceleraciones estocásticas observadas anteriormente tienen lugar, y desplazan a otros átomos cercanos a lo largo del camino hasta el punto de fallo. Estos cambios son los que producen la clásica debilidad que hace que los vidrios cedan.
"Un ejemplo sería una piedra arrojada a un estanque: el punto de impacto es claramente el centro de perturbación (en nuestro caso, el punto donde se absorben los rayos X), pero las ondas se propagan por todo el estanque, siendo el efecto menor cuanto mayor es la distancia desde el punto de impacto", explica Alessandro Martinelli, primer autor del estudio. "Lo mismo ocurre en nuestro vidrio, donde el efecto de estos defectos se deja sentir en todo el material".
Cuando el vidrio se expone a los rayos X, experimenta varios cambios. En primer lugar, sus átomos saltan de un lado a otro como resortes, lo que significa que el vidrio se comporta elásticamente y más como un sólido. Pero a medida que estos movimientos se hacen más grandes, los átomos empiezan a moverse en distancias mayores, y luego empiezan a moverse sin volver a sus ubicaciones originales, desplazando a otros átomos por el camino. Este es el punto de transición del vidrio sólido a un vidrio con gran plasticidad. Es la primera vez que se observa este proceso a escala atómica.
"Estudiar el punto de rotura del vidrio oxidado es muy difícil experimentalmente, porque el vidrio suele romperse en ese punto", explica Giulio Monaco, profesor de Física de la Universidad de Padua que dirigió el estudio. "Sin embargo, utilizando rayos X es posible sortear este problema y estudiar con resolución atómica lo que no se puede hacer con las técnicas clásicas de laboratorio, por ejemplo en tracción. Este estudio es el primer caso en el que se alcanza el punto de fallo mediante irradiación con rayos X, en el que se observa la transición de un sólido elástico a un sólido plástico."
Los resultados de este estudio podrían abrir el camino a cambios más controlados en las propiedades de los vidrios, con una gran variedad de posibles aplicaciones industriales. En la investigación han participado científicos de la Universidad de Padua, la Universidad de Trento, la Universidad de Bruselas y DESY.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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