Vidrio
El vidrio ha sido uno de los grandes misterios de la ciencia. ¿Es un sólido o un líquido? ¿Por qué cuando pasa de estado líquido a sólido no cristaliza?
Para la primera pregunta sí tenemos una respuesta, es un sólido amorfo. A efectos prácticos se comporta cómo un sólido. Aunque sin tener la estructura interna de un cristal.
Y aunque para la segunda pregunta no tenemos respuesta (al menos yo), sí sabemos qué: El vidrio no es un cristal, los cristales son sólidos con partículas ordenadas, periódicas, el vidrio por el contrario es una estructura de compuestos de silicio y óxidos desordenados, amorfa.
Podemos decir que el vidrio se forma cuando un líquido se enfría rápidamente y no llega a cristalizar. Al hacerlo su estructura interna se bloquea, se acomoda de forma caótica y amorfa. Es un material fuera del equilibrio termodinámico, en un estado metaestable: su estructura no es la de mínima energía (cristal), pero la alta viscosidad impide que evolucione hacia ella.
Usando la genial analogía de EveryAcctNamelsTaken en este hilo de Reddit:
Es como cuando un gato está acostado en una posición horriblemente incómoda, con las patas estiradas en direcciones raras y en una postura imposible. Seguro ¿sería más cómodo acurrucado en una bolita o algo así?
La forma acurrucada es como una estructura cristalina, como el diamante, tiene menos energía pero está más cómodo. La forma rara y estirada tiene más energía. ¡El gato podría estar mucho más cómodo que eso! El vidrio es como el gato en esa horrible postura, sabe que se vé ridículo e incómodo pero no se va a mover. Parece que nada le impide ir a un estado agradable y ordenado pero aún así no lo hace.
Es un tipo de material cerámico (fabricado mediante tratamiento térmico), que puede ser sintético (el que trabajamos normalmente), aunque también puede presentarse de forma natural en la obsidiana, que se produce cuando lava volcánica con alto contenido en sílice se enfría rápidamente y no le da tiempo a formar cristales.
El rango de temperatura en la cúal se funde el sílice es a apróximadamente 2000ºC, se le agregan otros compuestos cómo el carbonato de sodio y otros con lo que baja la temperatura de fundido a unos 1500ºC. La temperatura de trabajo para el lampworking (ya vidrio) no es la de fundido no es la de fundido del sílice (cristal), igualmente hay que calentarlo lo suficiente cómo para que se pueda trabajar… no bebernoslo, esto es entre 600ºC y 1200ºC.
De todo lo anterior podemos destacar:
- No haya una températura fija de “fundido” sino un rango, que depende de cada tipo de vidrio y su composición interna.
- El objetivo al calentar el vidrio no es fundirlo sino controlar su viscosidad para poder trabajarlo.
Como sólido amorfo el vidrio a temperatura ambiente tiene una viscosidad extremadamente grande y hay debatte de si, teóricamente, podría gotear o fluir a temperatura ambiente lo que es seguro es que tardaría miles de millones de años en ser apreciable.
A diferencia la Brea, que sí es un líquido, aunque muy viscoso y deja caer una gota una vez cada 10 años. Como ilustra el experimento de la gota de brea. Que se puede visualizar en tiempo real aquí.
Transición Vitrea
Es el proceso por el cual el vidrio pasa de estar rígido y sólido a blando y moldeable. No es una fusión como un cristal. No hay un punto exacto sino un rango.
El gradiente térmico
Es la diferencia de temperaturas dentro de la pieza. Por ejemplo el exterior está a 900ºC y el interior a 500ºC. Una zona está Caliente y se expande y otra está fría y no se expande igual, cuando se enfría se contraen de forma diferente generando tensiones internas que puede generar grietas y roturas espontáneas en horas o días. Es por esto que se intenta mantener siempre la temperátura homogénea en toda la pieza. Es el motivo también de usar un horno para mantener una homogeneidad en toda la pieza y que se enfríe de manera uniforme.
COE
El Coeficiente de Expansión Térmica cuantifica cuanto se expande y contrae el vidrio al ser calentado y enfriado. Esto hace que a distintos COE el vidrio sea incompatible.
A mayor índice más se expande.
Tipos de vidrio, COE y temperaturas
| Tipo de vidrio | COE | Temperatura de trabajo (°C) | Tg aprox. (°C) | Uso típico |
|---|---|---|---|---|
| Soda-lime (Murano/Effetre) | 104 | 600 – 1200 | 500 – 550 | Flameworking (beads, figuras) |
| Vidrio de fusing (Bullseye) | 90 | 700 – 1000 | 500 – 600 | Horno (fusing, slumping) |
| Borosilicato (Pyrex) | 33 | 1000 – 1300 | 550 – 600 | Científico, boro, pipas |
| Sílice fundida (Quartz) | ~0.5 | 1700 – 2000 | ~1200 | Óptica, industria |
Para que dos vidrios sean compatibles el COE es condición necesaria pero además necesitan:
- Curva de viscosidad compatible
- Mismo rango de recocido
- Compatibilidad química (probada en la práctica)