Ingenieros mecánicos y científicos de materiales de la Universidad de California en Los Ángeles (UCLA), han desarrollado una técnica que utiliza nanopartículas con el fin de fortalecer la estructura atómica del vidrio. El resultado es un producto que es al menos cinco veces más resistente que cualquier vidrio disponible actualmente.
El proceso podría llevar hacia la construcción de vidrio útil en aplicaciones industriales, en componentes de motores y herramientas que requieren soportar altas temperaturas, por ejemplo, así como para puertas, mesas y otros elementos arquitectónicos y de diseño.
El estudio fue publicado en línea en la revista Advanced Materials. Los autores escribieron que el mismo método podría usarse también para fabricar cerámicas más resistentes, por ejemplo, en componentes de naves espaciales que requieren soportar el calor extremo.
En la ciencia de los materiales, la “dureza” mide cuánta energía puede absorber un material, y qué tan flexible es (cuánto puede deformarse) sin fracturarse. Si bien el vidrio y la cerámica se pueden reforzar utilizando tratamientos externos, como recubrimientos químicos, no cambian el hecho de que los materiales en sí son frágiles.
Para resolver ese problema, los investigadores de la UCLA se inspiraron en la estructura atómica de los metales, que pueden recibir golpes y no romperse.
“Los enlaces químicos que mantienen unidos el vidrio y la cerámica son bastante rígidos, mientras que los enlaces en los metales permiten cierta flexibilidad“, dijo Xiaochun Li, profesor de manufactura de la Facultad de Ingeniería Samueli de la UCLA e investigador principal del estudio. “En vidrio y cerámica, cuando el impacto es lo suficientemente fuerte, una fractura se propagará rápidamente a través del material en un camino mayormente recto. En cambio, cuando algo impacta un metal, sus enlaces químicos más deformables actúan como amortiguadores y sus átomos se mueven mientras mantienen la estructura unida“.
Los investigadores plantearon que al infundir vidrio con nanopartículas de carburo de silicio (SiC), el material resultante podría absorber más energía antes de romperse. Las nanopartículas fueron agregadas en el vidrio fundido a 3.000 grados Fahrenheit, lo que ayudó a garantizar que las nanopartículas se dispersaran uniformemente.
Una vez que el material se solidificó, las nanopartículas incrustadas podrían actuar como obstáculos para evitar posibles fracturas. Cuando se produce una fractura, las nanopartículas la obligan a ramificarse como si fueran pequeñas redes, en lugar de permitir que tome un camino recto.
Esa ramificación permite que el vidrio absorba significativamente más energía de una fractura antes de que cause un daño significativo en todo el material.
La sinterización, en la cual un polvo se calienta bajo presión, y luego se enfría, es el método principal utilizado para hacer vidrio. También fue el método utilizado en experimentos anteriores por otros grupos de investigación para dispersar nanopartículas en vidrio o cerámica. Pero en esos experimentos, las nanopartículas no se extendieron de manera uniforme, y el material resultante tenía una resistencia desigual.
Los bloques de vidrio que el equipo de UCLA desarrolló para el experimento eran algo lechosos (opacos), en lugar de transparentes, pero Li dijo que el proceso podría adaptarse para crear vidrio transparente.