Recientemente, un equipo de investigadores con la participación de la Universidad de Augsburgo publicó un artículo en la revista Nature Physics sobre las correlaciones universales inesperadas entre la expansión térmica y las temperaturas de transición vítrea de los materiales que forman el vidrio. Esto proporciona un nuevo conocimiento sobre la compleja naturaleza de la transición de líquido a vidrio sólido.
El vidrio es un material sólido que carece de la estructura cristalina típica de los sólidos convencionales. A diferencia de la fusión de materiales cristalinos, que se entiende bien con el criterio de Lindemann, los procesos microscópicos en la transición de un vidrio a un líquido (o viceversa) no están bien comprendidos. Sin embargo, los vidrios son materiales muy antiguos y ampliamente utilizados en la tecnología.
Un enfoque nuevo sobre la tecnología del vidrio
Los investigadores han encontrado que la transición sólido-líquido de los vidrios está determinada por factores adicionales, además de las vibraciones térmicas de los átomos o moléculas. La transición de un vidrio a un líquido también está influenciada por el movimiento cooperativo de los átomos o moléculas en el líquido formador de vidrio, lo que puede aumentar significativamente la energía necesaria para licuar un vaso. Los investigadores encontraron evidencia de esto al analizar la expansión térmica y las temperaturas de transición vítrea de más de 200 vidrios y líquidos.
La transición vítrea es un proceso continuo en el que los vidrios se solidifican al enfriarse en una masa fundida. Los átomos o moléculas en un vidrio congelan en posiciones desordenadas, pero bien definidas, a medida que la cooperatividad de los átomos o moléculas aumenta al enfriarse. Las vibraciones atómicas también son responsables de la expansión térmica de los materiales sólidos.
En el estudio, los investigadores analizaron la expansión térmica y las temperaturas de transición vítrea de más de 200 materiales diferentes, incluyendo vidrios convencionales, moleculares, iónicos, metálicos y polímeros. Los resultados muestran que el comportamiento de la fusión del vidrio se puede atribuir a la cantidad de átomos o moléculas que se mueven cooperativamente. La cooperatividad se puede medir a través del índice de fragilidad. Además, se ha demostrado una relación inversa entre los coeficientes de dilatación térmica y la temperatura de transición vítrea escalados por el índice de fragilidad, lo que sugiere una influencia importante de la cooperatividad en la transición vítrea. Sorprendentemente, esta relación universal permite predecir la temperatura de transición vítrea a partir de mediciones de expansión térmica y viceversa.
Conclusión
Los resultados de esta investigación proporcionan una nueva comprensión de la transición de líquido a vidrio sólido. Además, tienen importantes implicaciones para la tecnología de vidrios. Por jemplo, se podría aplicar en contenedores, ventanas, fibras ópticas, materiales electrólicos avanzados en baterías y celdas de combustible, vidrios metálicos, polímeros y materia biológica.
Por lo tanto, estos hallazgos podrían tener un impacto en el diseño y desarrollo de materiales vítreos en una variedad de aplicaciones tecnológicas. La transición vítrea es un proceso diferente a la transición de fase convencional. Esto debido a la cooperatividad de los átomos o moléculas en un líquido formador de vidrio. Estos hallazgos abren la posibilidad de investigar más profundamente esta transición y cómo puede ser manipulada para mejorar las propiedades de los materiales vítreos.
Referencias:
Thermal expansion and the glass transition: https://doi.org/10.1038/s41567-022-01920-5
