Artículos sobre ciencia y tecnología de Mauricio-José Schwarz publicados originalmente en El Correo y otros diarios del Grupo Vocento

julio 02, 2011

Las posibilidades del vidrio metálico

Metalic Glas Vitreloy4
Trozos del vidrio metálico llamado "vitreloy"
(Foto CC de Björn Gojdka
vía Wikimedia Commons
“Vidrio metálico”, la sola idea desafía nuestro sentido común. Se trata de metales con una estructura distinta de la que conocemos habitualmente y que ofrece importantes expectativas para productos que van desde piezas de motores hasta carcasas casi indestructibles para nuestros teléfonos móviles. Es una más de las muchas áreas en las que trabaja hoy la ciencia de los materiales, disciplina que se ocupa de la relación entre la estructura y las propiedades de todo aquello de lo que está hecho nuestro universo.

El ser humano utilizó primero los materiales de la naturaleza tal y como los hallaba y fue avanzando en las modificaciones que les practicaba para servirse de ellos: la piedra simple fue luego tallada para formar el hacha de mano o la punta de lanza que se fijaba en un palo largo con tendones de animales o cuerdas vegetales trenzadas.

Los avances en el uso y transformación de los materiales fueron parte esencial del progreso humano. La cerámica, con el asombroso proceso de cocción que daba al barro resistencia y dureza, surgió hace más de 27.000 años, mientras que el curtido de las pieles para evitar su descomposición apareció entre el 7000 y el 3000 antes de la Era Común.

El uso de los metales, que apareció hace al menos 8.000 años, marcó profundamente a las sociedades humanas que, a través de la edad del cobre, del bronce y del hierro, aprendieron a extraer, producir y dar forma a distintos productos, herramientas, armas o estructuras de metales cada vez más duros y resistentes.

Esos metales que utilizamos habitualmente tienen una estructura cristalina. Lo que define a un cristal es que sus átomos o moléculas están ordenados mediante un patrón que se repite en tres dimensiones, una forma de enrejado.

El vidrio, por su parte, tiene una estructura radicalmente distinta: si las moléculas de un cristal son ordenadas y repetitivas, las del vidrio están desordenadas y en agrupaciones aleatorias, del mismo modo en que estarían en un líquido. Es esa estructura la que da sus características al vidrio común de sílice que conocemos desde hace unos 5.500 años, pero no es privativa de él. En la ciencia de los materiales, vidrio es cualquier sustancia sólida con una estructura no cristalina o amorfa.

Así, el dióxido de silicio puede formar cristales como el cuarzo, con una forma de prisma de seis lados, o vidrio, que es el mismo dióxido de silicio pero con una estructura radicalmente distinta y, por tanto, con propiedades físicas muy diferentes. Y esto se puede hacer con muchas otras materias primas para conseguir características innovadoras. Al hacerlo con sustancias metálicas obtenemos el vidrio metálico o metal amorfo.

El primer vidrio metálico fue producido en 1960 por tres investigadores de la División de Ingeniería del Instituto de Tecnología de California, con una aleación de oro y silicio. Lo que hicieron fue tomar la aleación fundida y enfriarla a una gran velocidad (equivalente a millones de grados por segundo) para que las moléculas de los metales componentes no tuvieran tiempo de organizarse en una estructura cristalina, sino que mantuvieran su desorden interno. Este rápido enfriamiento al principio sólo podía lograrse en capas de espesores menores a un milímetro.

Desde entonces se ha avanzado en técnicas para la producción de vidrio metálico de espesores mayores, en grandes volúmenes que resulten eficientes en cuanto a coste-beneficio, y con mejores características. Dado que los vidrios metálicos están formados por aleaciones de dos o más metales, una tarea importante ha sido determinar cuáles metales, en qué combinaciones y con qué proporciones, son idóneos para obtener vidrios metálicos con la dureza, resistencia, ductilidad y densidad que se necesita para diversas aplicaciones. Así, uno de los primeros usos prácticos de estos materiales fue en cabezas de palos de golf que aprovechaban su singular elasticidad.

La característica principal de los vidrios metálicos es su combinación ideal de resistencia y fuerza, dos conceptos que suelen ser en gran medida excluyentes. Un vaso de vidrio común de cuarzo es sin duda fuerte, pero no tiene elasticidad y por tanto es poco resistente a un golpe, como sabemos al momento de ver un vaso cayendo hacia el suelo. En cambio, una lata de aluminio es muy resistente, pero no es fuerte y podemos deformarla y romperla con las manos.

Los vidrios metálicos son más fuertes que los metales puesto que carecen de los defectos que caracterizan a los cristales y son por tanto menos frágiles ante el desgaste y la corrosión, pero al mismo tiempo son más resistentes que el vidrio de cuarzo. Además tienen una alta resistencia eléctrica y exhiben una enorme facilidad para cambiar su orientación magnética, algo que los hace ideales para utilizarse en los núcleos magnéticos de transformadores eléctricos.

Algunos vidrios metálicos pueden ser hasta tres veces más fuertes que los mejores aceros que se producen en la actualidad y pueden reemplazar el titanio en muchas aplicaciones, como piezas de aviones y autos, instrumental médico y placas y tornillos para reparar fracturas óseas. Algunas aleaciones prometedoras de magnesio incluso pueden disolverse al paso del tiempo, eliminando así la necesidad de la cirugía para retirar las piezas metálicas una vez que las fracturas han soldado.

Uno de los más recientes descubrimientos sobre los vidrios metálicos podría abrir toda una nueva área de investigación. Investigadores del Departamento de Energía de los EE.UU. y de la Universidad de Stanford sometieron a una muestra de vidrio metálico de cerio y aluminio a una presión de 250.000 veces la presión atmosférica al nivel del mar utilizando dos “yunques” de diamante. Los átomos de toda la muestra de vidrio metálico se alinearon súbitamente formando un solo cristal.

La pregunta que este experimento plantea es si todos los vidrios tienen, oculto en su estructura aparentemente amorfa y desordenada, un cristal y, de ser así, qué características lo diferenciarían de las formas de cristal conocidas hasta hoy. Mientras empezamos a utilizar más ampliamente el vidrio metálico, éste a su vez puede llevarnos a otras estructuras que satisfagan necesidades diversas en el campo de los materiales que usamos para nuestra vida, bienestar, salud y estudio.

El vidrio metálico en la tienda

El vidrio metálico está presente en las etiquetas antirrobo de muchísimos de los productos que compramos, como DVD o libros. Esas etiquetas están magnetizadas aprovechando las características del vidrio metálico y son las que provocan que suenen los detectores que están a las puertas de muchas tiendas, si no las desmagnetiza previamente el dependiente cuando pasamos por caja. Basta abrir una de esas etiquetas para ver directamente un vidrio metálico.

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