El vidrio está en todas partes. Ya sea que alguien esté mirando por la ventana o desplazándose a través de un teléfono inteligente, lo más probable es que haya una capa de vidrio entre ellos y lo que sea que estén mirando.
A pesar de haber existido durante al menos 5,000 años, todavía hay mucho que se desconoce sobre este material, como la forma en que se forman ciertos vidrios y cómo logran ciertas propiedades. Una mejor comprensión de esto podría conducir a innovaciones en la tecnología, como el rasguño-recubrimientos libres y vidrio con diferentes propiedades mecánicas.
En los últimos años, los investigadores de la Universidad de Pensilvania han estado analizando las propiedades de los vidrios estables, formas muy compactas de vidrios que se producen al depositar moléculas de una fase de vapor en un sustrato frío.
"Ha habido muchas preguntas", dijo Zahra Fakhraai, profesor asociado de química en la Facultad de Artes y Ciencias de Penn, "sobre si esto es análogo al mismo estado amorfo de anteojos envejecidos naturalmente como el ámbar, que sonformado simplemente enfriando un líquido y envejeciéndolo durante muchos, muchos años ".
Para responder a estas preguntas, Fahkraai y el estudiante de doctorado Tianyi Liu colaboraron con el profesor de química Patrick Walsh, quien diseñó y sintetizó una nueva molécula especial que es perfectamente redonda con una forma esférica. Según Fakhraai, estas moléculas únicas nunca puedense alinean con cualquier sustrato a medida que se depositan. Debido a esto, los investigadores esperaban que los vasos fueran amorfos e isotrópicos, lo que significa que sus partículas constituyentes, ya sean átomos, coloides o granos, están dispuestas de una manera que no tiene un patrón globalu orden.
Sorprendentemente, los investigadores notaron que estos vidrios estables son birrefringentes, lo que significa que el índice de refracción de la luz es diferente en direcciones paralelas y normales al sustrato, lo que no se esperaría en un material redondo. Sus resultados se publicaron en Cartas de revisión física .
Con la birrefringencia, la luz brillada en una dirección se romperá de manera diferente que la luz brillada desde una dirección diferente. Este efecto a menudo se aprovecha en pantallas de cristal líquido: al cambiar la orientación del material, la luz interactúa de manera diferente con él, produciendo efectos ópticos.En la mayoría de los vidrios depositados, esto es el resultado de moléculas que se alinean en una dirección particular a medida que se condensan de la fase de vapor a un estado vítreo profundo.
Los patrones de birrefringencia de los vidrios estables eran extraños, dijo Fakhraai, ya que los investigadores no esperaban ninguna orientación de estas moléculas redondas en el material.
Después de asociarse con el profesor de física James Kikkawa y la estudiante de doctorado Annemarie Exarhos, quien realizó experimentos de fotoluminiscencia para observar la orientación de las moléculas, y el profesor de química Joseph Subotnick, quien ayudó con las simulaciones destinadas a observar la estructura cristalinay calculando el índice de refracción del cristal que les permitió calcular el grado de birrefringencia u ordenar en estado amorfo, los investigadores confirmaron su presentimiento de que no había orientación en el material.
A pesar de medir el orden cero en el vidrio, los científicos aún vieron una cantidad de birrefringencia análoga a tener hasta el 30 por ciento de las moléculas perfectamente ordenadas. A través de sus experimentos, descubrieron que esto se debe a la naturaleza capa por capa dela deposición que permite que las moléculas se empaqueten más firmemente en la dirección normal a la superficie durante la deposición. Cuanto más denso es el vidrio, mayor es el valor de la birrefringencia. Este proceso puede controlarse cambiando la temperatura del sustrato que controla el grado de densificación.
"Pudimos demostrar que este es un tipo único de orden que emerge del proceso", dijo Fakhraai. "Este es un nuevo tipo de empaque que es muy único porque no tienes ninguna orientación, pero puedestodavía manipula las distancias moleculares en promedio y todavía tiene un empaque aleatorio pero birrefringente en general, y esto nos enseña mucho sobre el proceso de cómo puede acceder realmente a estas fases de estado inferior, pero también proporciona una forma de diseñar propiedades ópticas sin inducir necesariamente unorden o estructura en el material "
Dado que los estresores se distribuyen de manera diferente dentro y fuera del plano, estos vidrios podrían tener diferentes propiedades mecánicas, lo que puede ser útil en recubrimientos y tecnología. Puede ser posible manipular la orientación de un vidrio o sus capas para darle ciertas propiedades, como revestimientos antiarañazos.
"Esperamos que si hiciéramos una sangría en la superficie del vidrio con algo", dijo Fakhraai, "tendría una dureza diferente a la sangría lateral. Esto podría cambiar sus patrones de fractura o dureza o propiedades elásticas. Creo entender cómola forma, la orientación y el empaque podrían afectar la mecánica de estos recubrimientos es uno de los lugares donde podrían surgir aplicaciones interesantes ".
Según Fakhraai, una de las piezas más interesantes de esta investigación es el aspecto fundamental de poder demostrar que puede haber fases amorfas de alta densidad. Espera que ella y otros investigadores puedan aplicar su comprensión al estudiar estos sistemasa lo que sucedería en vidrio altamente envejecido.
"Esto nos dice que en realidad podemos hacer vasos que tengan empaques que serían relevantes para el vidrio muy bien envejecido", dijo Fakhraai. "Esto abre la posibilidad de comprender mejor el proceso mediante el cual podemos hacer vasos estables"."
Esta investigación fue financiada por National Science Foundation otorga DMR-11-20901, DMR-1206270, CHE-1152488 y DMREF-1628407.
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Materiales proporcionado por Universidad de Pennsylvania . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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