Ciência do Vidro e Vitrificação

A ciência do vidro estuda como um fundido arrefecido rapidamente o suficiente para evitar a cristalização congela-se num sólido amorfo, e como a rede aleatória resultante determina as propriedades dos vidros.

Definition

A vitrificação é a formação de um vidro — um sólido amorfo sem ordem de longo alcance — arrefecendo um líquido suficientemente rápido para que este evite a cristalização e congele na transição vítrea; a ciência do vidro estuda a estrutura, formação e propriedades de tais materiais.

Scope

Este tópico abrange a formação e a estrutura dos vidros: a vitrificação de um líquido super-arrefecido através da transição vítrea, o modelo de rede aleatória que descreve como os óxidos formadores de rede, como a sílica, constroem uma estrutura contínua mas desordenada, e o papel dos modificadores e intermediários de rede na adaptação da viscosidade, expansão e durabilidade. Aborda a capacidade de formação de vidro, a temperatura de transição vítrea e a base química dos vidros ópticos e químicos.

Core questions

• O que acontece estruturalmente quando um líquido vitrifica para um vidro?
• Quais óxidos formam redes de vidro e qual o papel dos modificadores?
• O que determina se um fundido forma um vidro ou cristaliza?
• Como a transição vítrea difere da fusão?

Key concepts

• Sólido amorfo
• Formadores de rede, modificadores e intermediários
• Temperatura de transição vítrea
• Líquido super-arrefecido
• Capacidade de formação de vidro
• Rede aleatória

Key theories

Teoria da rede aleatória do vidro

Zachariasen propôs que os vidros consistem numa rede tridimensional contínua dos mesmos poliedros encontrados no cristal correspondente, mas conectados sem periodicidade de longo alcance, com regras que identificam quais óxidos podem formar tais redes.

Transição vítrea e líquidos super-arrefecidos

Ao arrefecer um fundido formador de vidro, a viscosidade aumenta acentuadamente e o líquido sai do equilíbrio na transição vítrea, congelando-se num sólido amorfo; a transição é um evento cinético, não termodinâmico, cuja temperatura depende da taxa de arrefecimento.

Mechanisms

À medida que um fundido formador de vidro arrefece, os rearranjos atómicos necessários para cristalizar tornam-se demasiado lentos em relação à taxa de arrefecimento; a viscosidade diverge e a estrutura líquida desordenada é cineticamente congelada, produzindo uma rede amorfa em vez de um cristal ordenado.

Clinical relevance

A ciência do vidro sustenta os vidros e fibras ópticas, o vidro para embalagens e plano, a vidraria de laboratório quimicamente durável e os vidros especiais para selagem e eletrónica; o controlo da química da rede define o índice de refração, a expansão térmica e a durabilidade química necessárias para cada aplicação.

History

Os estudos de Tammann, no início do século XX, estabeleceram a natureza de líquido super-arrefecido do vidro. A teoria da rede aleatória de Zachariasen, de 1932, forneceu então a base estrutural para quais óxidos formam vidros e como as suas redes estão dispostas, enquadrando a ciência moderna do vidro, que liga a química da rede ao comportamento óptico, térmico e mecânico dos vidros.

Key figures

• William Houlder Zachariasen
• Gustav Tammann

Seminal works

• zachariasen1932
• shelby2005

Frequently asked questions

Qual é a diferença entre fusão e transição vítrea?

A fusão é uma transição nítida e de equilíbrio a uma temperatura fixa onde um cristal se torna um líquido. A transição vítrea é um congelamento gradual e cinético de um líquido super-arrefecido num sólido amorfo ao longo de uma faixa de temperatura que depende da rapidez com que o material é arrefecido.

Por que a sílica pode formar um vidro tão facilmente?

A sílica é construída a partir de tetraedros que partilham vértices e que podem conectar-se numa rede contínua sem exigir ordem de longo alcance. As suas ligações são fortes e direcionais, de modo que o rearranjo para um cristal é lento, e mesmo taxas de arrefecimento modestas congelam a rede desordenada num vidro.