El vidrio está en todas partes. Ya sea que alguien esté mirando por una ventana o desplazándose por 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 estar presente durante al menos 5, 000 años, todavía hay mucho que se desconoce sobre este material, por ejemplo, cómo se forman ciertos vasos y cómo logran ciertas propiedades. Una mejor comprensión de esto podría conducir a innovaciones en tecnología, como revestimientos sin rayaduras y vidrios con diferentes propiedades mecánicas.

En los ultimos años, investigadores de la Universidad de Pensilvania han estado analizando las propiedades de los vidrios estables, formas de vidrio muy compactas que se producen depositando moléculas de una fase de vapor sobre un sustrato frío.

"Ha habido muchas preguntas, "dijo Zahra Fakhraai, profesor asociado de química en la Facultad de Artes y Ciencias de Penn, "acerca de si esto es análogo al mismo estado amorfo de los vidrios envejecidos naturalmente, como el ámbar, que se forman simplemente enfriando un líquido y envejeciéndolo para muchos, muchos años."

Para responder a estas preguntas, Fahkraai y Ph.D. El estudiante Tianyi Liu colaboró ​​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 pueden alinearse con ningún sustrato a medida que se depositan. Debido a esto, los investigadores esperaban que las gafas fueran amorfas e isotrópicas, lo que significa que sus partículas constituyentes, si son átomos, coloides o granos, están organizados de una manera que no tiene un patrón u orden general.

Asombrosamente, los investigadores notaron que estos vasos 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 fueron publicados en Cartas de revisión física .

Con birrefringencia, la luz que brille en una dirección se romperá de manera diferente a la luz que brille en una dirección diferente. Este efecto a menudo se aprovecha en las pantallas de cristal líquido:cambiar la orientación del material hace que la luz interactúe de manera diferente con él, produciendo efectos ópticos. En la mayoría de los vasos depositados, esto es el resultado de que las moléculas 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 vasos del establo eran extraños, Fakhraai dijo: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 Ph.D. estudiante Annemarie Exarhos, que hizo experimentos de fotoluminiscencia para observar la orientación de las moléculas, y el profesor de química Joseph Subotnick, quienes ayudaron con las simulaciones destinadas a observar la estructura del cristal y calcular el índice de refracción del cristal, lo que les permitió calcular el grado de birrefringencia o el orden en el estado amorfo, los investigadores confirmaron su corazonada de que no había orientación en el material.

A pesar de medir el orden cero en el vaso, los científicos todavía vieron una cantidad de birrefringencia análoga a tener hasta un 30 por ciento de las moléculas perfectamente ordenadas. A través de sus experimentos, descubrieron que esto se debe a la naturaleza capa por capa de la deposición que permite que las moléculas se compacten más firmemente en la dirección normal a la superficie durante la deposición. Cuanto más denso es el vidrio, cuanto mayor sea el valor de la birrefringencia. Este proceso se puede controlar cambiando la temperatura del sustrato que controla el grado de densificación.

"Pudimos demostrar que este es un tipo de orden único que surge del proceso, ", Dijo Fakhraai." Este es un nuevo tipo de empaque que es muy único porque no tienes ninguna orientación, pero aún puede manipular las distancias moleculares en promedio y aún tener un empaquetamiento aleatorio pero birrefringente en general. Y esto nos enseña mucho sobre el proceso de cómo se puede acceder realmente a estas fases de estado inferior, pero también proporciona una forma de diseñar propiedades ópticas sin inducir necesariamente un orden o estructura en el material ".

Dado que los factores estresantes se distribuyen de manera diferente dentro y fuera del plano, estos vidrios pueden tener diferentes propiedades mecánicas, 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 anti-rayaduras.

"Esperamos que si marcamos la superficie del vidrio con algo, "Fakhraai dijo, "Tendría una dureza diferente en comparación con la sangría lateral. Esto podría cambiar sus patrones de fractura o dureza o propiedades elásticas. Creo que entender cómo se 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 emocionantes de esta investigación es el aspecto fundamental de poder demostrar ahora que puede haber fases amorfas que son de alta densidad. Ella espera que ella y otros investigadores puedan aplicar su conocimiento del estudio de estos sistemas a lo que sucedería en el vidrio muy envejecido.

"Esto nos dice que en realidad podemos fabricar vasos que tengan empaques que serían relevantes para el vidrio muy envejecido, "Esto abre la posibilidad de comprender mejor fundamentalmente el proceso mediante el cual podemos hacer vasos estables", dijo Fakhraai.