Vidrios y cristales, el orden lo cambia todo

Dr. Fernando Donado Pérez
Doctor en Ciencias (Física) por la Benemérita Universidad Autónoma de Puebla (BUAP)

Un diamante, una esmeralda, un rubí son piedras preciosas que embelesan, que atraen, que conquistan. Objetos que deseamos tener y admirar. ¿Dónde radica su belleza? ¿Por qué de la sangre derramada por poseerlos?

El diamante no es más que una colección de átomos de carbono iguales a los contenidos en una mina de un lápiz, iguales a los contenidos en un pedazo de carbón. Entonces, ¿cuál es la diferencia entre estos materiales? ¡El orden! ¡Esa es la diferencia! El orden lo cambia todo. En el diamante los átomos están ordenados, un mismo patrón que se repite en todo el objeto; en cambio, en el carbón están desordenados. Un golpe cuidadosamente aplicado divide al cristal de manera perfecta, pero un golpe en un vidrio causa que se rompa en mil pedazos.

No todo lo que brilla es oro, dice un dicho, igualmente podríamos decir que no todo lo que es transparente es cristal. Ahí tenemos el humilde vidrio de las ventanas, de los vasos y el de las figuras decorativas, aunque transparente no es un cristal. Por otra parte, no todo cristal es transparente, la mayoría de los metales en estado natural se presentan como cristales y son opacos.

Los materiales en estado vitreo son con mucho los más abundantes en la naturaleza y por lo tanto ¿es por eso que son baratos? En cambio, los materiales en estado cristalino son mucho menos abundantes y por lo tanto, ¿más caros? Curioso, dependiendo de su uso en algunas ocasiones, los vidrios presentan ventajas sobre los cristales. Por ejemplo, los medicamentos deben ser vitreos para deshacerse más rápido, lo que no ocurriría si estuvieran en estado cristalino. En otras ocasiones se necesita de las propiedades de los cristales. Los chips de silicio que dominan la electrónica se fabrican a partir de un cristal de silicio.

¿Como se obtiene un vidrio o un cristal? Ambos son sólidos y pueden ser obtenidos por enfriamiento a partir de un precursor en estado líquido. A alta temperatura, el movimiento de los átomos o moléculas, partículas en lo sucesivo, se caracteriza por los continuos cambios de dirección, es aleatorio, es como el de un borracho. Las partículas son libres y se mueven por todo el espacio disponible. Al enfriarse el líquido los movimientos se hacen cada vez más lentos, se forman núcleos y luego estos crecen hasta que todas las partículas son parte de la estructura sólida, las partículas ahora están confinadas y solo vibran. Si el enfriamiento es rápido el resultado final es un vidrio, las partículas no se acomodan en arreglos de mínima energía, no les da tiempo hacerlo. En cambio, si el enfriamiento es lento se obtiene el cristal, los átomos se acomodan en posiciones de mínima energía, lo que sucede en arreglos ordenados. O en otras palabras, con calma hacemos mejor las cosas.

Actualmente se usan métodos indirectos para el estudio de estos sistemas, métodos de dispersión de ondas electromagnéticas, en particular de Rayos X. Es decir, le mandamos proyectiles al material y estudiamos qué resulta. Aunque los estudios actuales han producido grandes avances en el entendimiento de los vidrios y cristales, aún quedan incógnitas por resolver. Por ejemplo, en el caso de la cristalización, aún se debate si la teoría clásica de nucleación es una teoría adecuada para describir el proceso de nucleación o si deben proponerse teorías más refinadas.

La ciencia alrededor de los vidrios y cristales

¿Cómo estudiar entonces a los vidrios y cristales? Estudiar de forma directa el proceso de solidificación resulta imposible dadas las limitaciones técnicas para seguir todas las partículas que componen los sistemas con suficiente resolución espacial y temporal.

En este contexto, recientemente en la literatura hemos presentado un modelo de materia granular no vibrada que ha mostrado ser exitoso para describir algunos procesos en la transición vítrea y en la cristalización. El sistema se compone de partículas de 1 mm de diámetro dispuestas en una celda de observación que puede ser plana o curva. Para fluidizar las partículas y hacer que su movimiento sea errático, se usan campos alternantes generados por electroimanes, controlados mediante una computadora.

En nuestro sistema la dinámica de las partículas es lenta y la resolución espacial que se requiere es accesible por medio de una cámara de video estándar. El movimiento de las partículas puede controlarse fácilmente y puede ir de difusivo a subdifusivo controlando las características del campo aplicado, como la frecuencia y la amplitud.

En el caso de la cristalización hemos encontrado que el proceso de nucleación se lleva a cabo mediante al menos dos pasos. En un primer paso se forma un agregado amorfo estable. En un segundo paso, en el interior de este agregado empieza un proceso de reordenamiento, que lleva a la formación del núcleo. El proceso de crecimiento, se da en la periferia del agregado mientras que simultáneamente el interior ordenado continúa creciendo. Con estos experimentos aportamos evidencia experimental que apoya las teorías no clásicas de nucleación.

En el caso de la transición vítrea hemos encontrado que el proceso de añejamiento, donde el vidrio continúa evolucionando y por lo tanto cambiando, no continúa indefinidamente y es frustrado por la formación de agregados más compactos y estables.

Hemos observado que el sistema granular no vibrado es una excelente herramienta para modelar procesos que ocurren en sistemas formados por partículas muy pequeñas y que se mueven muy rápido. El sistema es muy versátil y puede modificarse para estudiar varios otros procesos y sistemas tales como gelificación, fusión y materia activa. En resumen, usamos un experimento barato para generar ciencia cara.