Nuevos materiales en el espacio




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títuloNuevos materiales en el espacio
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fecha de publicación10.01.2016
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Vidrios


L


11. En la figura superior se muestra la organización de los átomos en un cristal, los sólidos normales. En la inferior la que se halla en los sólidos amorfos, los vidrios. Foto: NASA



10. Vaso de vidrio fabricado en la fábrica Gordiola de Mallorca. Foto: autores
os artesanos en la Tierra han fabricado vidrios (ver foto 10) durante milenios calentando a más de 1 100 oC una mezcla de arena, piedra caliza y sosa para, finalmente, enfriar el líquido incandescente con mucho cuidado. Cuando pensamos en el vidrio imaginamos ese material transparente en las ventanas. Pero el vidrio ni tiene por qué ser transparente, ni se encuentra siempre en las ventanas. Entre los científicos hay una definición diferente: vidrio es un material sólido con una estructura interna amorfa. En los sólidos, los átomos están normalmente dispuestos según patrones regulares y predecibles, como los ladrillos en una pared (estado cristalino). Pero si los átomos están revueltos de una manera desorganizada, como los ladrillos amontonados en el suelo, eso es el vidrio (ver figura 11). El vidrio de ventana que nos es tan familiar está formado principalmente por sílice, SiO2. Esencialmente es arena fundida. Pero en teoría, un fundido de cualquier composición química puede producir un vidrio con tal de que el fundido pueda ser enfriado con la suficiente rapidez como para que los átomos no tengan tiempo de colocarse en patrones, o cristales.

Si se desean fabricar vidrios de alta calidad se presenta un problema: la fundición –el líquido fundido del cual se forma el vidrio– debe de ser manejada dentro de alguna clase de recipiente y a altas temperaturas los vidrios fundidos son muy corrosivos contra cualquier tipo de contenedor conocido. Puesto que el material fundido ataca y disuelve el recipiente el vidrio se contamina.

En ambientes de caída libre, en cambio, no se necesita ningún recipiente. Gotas líquidas de 0,6 cm de diámetro pueden sostenerse mediante la presión de ondas sonoras emitidas por un levitador acústico. Así se puede fundir y enfriar y volver a fundir y enfriar una gotita de material sin que ésta esté en contacto con algún otro objeto y se producen vidrios de calidad superior.

Por otra parte en órbita los líquidos fundidos no cristalizan tan fácilmente como lo hacen en la Tierra. Es más fácil la formación del vidrio. Por tanto, no solamente se puede hacer vidrio menos contaminado, sino formarlo a partir de una variedad más amplia de fundidos.

Para las ventanas el sílice es adecuado, pero el vidrio hecho de otras composiciones químicas ofrece una multitud de propiedades inesperadas. Por ejemplo, hay "vidrios bioactivos" que se pueden usar para reparar huesos humanos. Esos vidrios eventualmente se disuelven una vez que han cumplido con su finalidad. También existen vidrios que son tan insolubles dentro del cuerpo que están siendo utilizados para tratar el cáncer mediante la distribución de altas dosis de radiación directamente en el lugar del tumor. Otro ejemplo: el vidrio hecho de metal puede ser muy duro y resistente a la corrosión. Y no se necesita moldearlo mecánicamente en las precisas e intrincadas formas necesarias, digamos, para un motor. Se puede simplemente moldear o vaciar. Veamos algunos vidrios que se han estudiado en el espacio.

ZBLAN


E


12. Las superficies de las fibras de ZBLAN formadas en caída libre (panel superior) y en la gravedad terrestre normal (panel inferior). Foto: NASA
l ZBLAN es un vidrio de fluoruro fabricado con una mezcla de zirconio (Zr), bario (Ba), lantano (La), aluminio (Al) y sodio (Na), que es cientos de veces más transparente que el vidrio de sílice. Sería excepcional para fibras ópticas –conductos que permiten transportar la luz en su interior y transmitir información entre puntos distantes. Una fibra de ZBLAN sería tan transparente que un rayo de luz que entre por un extremo en Madrid, podría llegar a otro extremo tan lejano como Los Ángeles en los Estados Unidos. Con las fibras de vidrio de sílice actuales usadas en telefonía, la señal luminosa se dispersa a lo largo del camino. Desdichadamente, las fibras de vidrio de ZBLAN son muy difíciles de producir en la Tierra ya que los fundidos tienden a cristalizar antes de que se forme el vidrio (ver figura 12).

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13. A la izquierda una fibra ZBLAN sin defectos obtenida en caída libre. A la derecha una fibra cristalizada obtenida en la Tierra. Foto: NASA
a razón para esto es que la gravedad produce la convección o mezcla en el fundido. En efecto, la gravedad lo "revuelve" y, en un proceso conocido como dilución por corte, el fundido se vuelve más fluido. En los fundidos que son más fluidos los átomos se mueven más rápidamente, por lo cual pueden disponerse en arreglos más geométricos con mayor rapidez. En fundidos más espesos y viscosos, los átomos se mueven más lentamente. Es más difícil que se formen patrones regulares y por consiguiente, es más probable que el fundido forme un vidrio. En ambientes de caída libre los fundidos deben ser más viscosos de lo que son en la Tierra (ver figura 13).

Eventualmente se podrán utilizar las lecciones que se aprendan en el espacio con el ZBLAN y otros vidrios (metálicos, bioactivos, etc.) para aplicarlas a la producción de vidrio en tierra. Con el ZBLAN podrían fabricarse fibras ópticas y lentes de gran calidad para telescopios, microscopios, binoculares, cámaras fotográficas, cámaras de vídeo, lectores de DVD, etc. Las posibles aplicaciones siguen y siguen... lo que demuestra, tan claro como el cristal, el valor de esta investigación.
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