Investigadores de UCLA endurecen vidrio utilizando nanopartículas, este proceso podría ser útil para aplicaciones en fabricación y arquitectura.

Una imagen de microscopio electrónico de un vidrio nuevo y más resistente desarrollado en UCLA, que muestra cómo las nanopartículas (formas redondeadas e irregulares) desvían una grieta y la obligan a ramificarse.

Los ingenieros mecánicos y científicos de materiales de UCLA han desarrollado un proceso que utiliza nanopartículas para fortalecer la estructura atómica del vidrio. El resultado es un producto que es al menos cinco veces más resistente que cualquier otro vidrio disponible actualmente.

El proceso podría producir un vidrio útil para aplicaciones industriales, por ejemplo, en componentes de motores y herramientas que pueden soportar altas temperaturas, así como para puertas, mesas y otros elementos arquitectónicos y de diseño.

El estudio se publicó en línea en la revista Advanced Materials y se incluirá en una futura edición impresa. Los autores escribieron que el mismo enfoque también podría usarse para fabricar cerámicas más duras que podrían usarse, por ejemplo, en componentes de naves espaciales que son más capaces de soportar el calor extremo.

En la ciencia de los materiales, la “dureza” mide la cantidad de energía que un material puede absorber, y la cantidad de deformación, sin fracturarse. Si bien el vidrio y la cerámica se pueden reforzar con tratamientos externos, como los recubrimientos químicos, esos enfoques no cambian el hecho de que los materiales en sí son frágiles.

Para resolver ese problema, los investigadores de la UCLA tomaron el ejemplo de la estructura atómica de los metales, que pueden sufrir golpes y no romperse.

Los enlaces químicos que mantienen unidos el vidrio y la cerámica son bastante rígidos, mientras que los enlaces en los metales permiten cierta flexibilidad”, dijo Xiaochun Li, profesor de manufactura de Raytheon en la Escuela de Ingeniería Samueli de la UCLA, y el investigador principal del estudio. “En vidrio y cerámica, cuando el impacto es lo suficientemente fuerte, una fractura se propagará rápidamente a través del material en una trayectoria principalmente recta.

Cuando algo impacta un metal, sus enlaces químicos más deformables actúan como amortiguadores y sus átomos se mueven mientras aún mantienen la estructura unida“.

Los investigadores plantearon la hipótesis de que al infundir vidrio con nanopartículas de carburo de silicio, una cerámica similar al metal, el material resultante podría absorber más energía antes de que falle. Agregaron las nanopartículas en vidrio fundido a 3,000 grados Fahrenheit, lo que ayudó a asegurar que las nanopartículas se dispersaran uniformemente.

Una vez que el material se solidificó, las nanopartículas incrustadas podrían actuar como obstáculos para las posibles fracturas. Cuando se produce una fractura, las pequeñas partículas lo obligan a ramificarse en redes diminutas, en lugar de permitir que tome un camino recto. Esa ramificación permite que el vidrio absorba significativamente más energía de una fractura antes de que cause un daño significativo.

La sinterización, en la cual un polvo se calienta bajo presión, y luego se enfría, es el método principal utilizado para hacer vidrio. También fue el método utilizado en experimentos previos por otros grupos de investigación para dispersar nanopartículas en vidrio o cerámica. Pero en esos experimentos, las nanopartículas no se dispersaron de manera uniforme, y el material resultante tuvo una tenacidad desigual.

Los bloques de vidrio que el equipo de UCLA desarrolló para el experimento eran algo lechosos, en lugar de transparentes, pero Li dijo que el proceso podría adaptarse para crear vidrio transparente.

Los otros autores del estudio son Qiang-Guo Jiang, un académico visitante en el Laboratorio de Ciencia y Ciencia de Li ; Chezheng Cao y Ting-Chiang Lin, quienes recibieron sus doctorados de UCLA en 2018; y Shanghua Wu, profesor de ingeniería en la Universidad de Tecnología de Guangdong, China.

Via: http://newsroom.ucla.edu/releases/ucla-researchers-toughen-up-glass-with-nanoparticles