Durante miles de años, personas de todo el mundo han experimentado con diferentes formas de fabricar vidrio con diferentes propiedades calentándolo hasta que se derrita y luego enfriándolo nuevamente. Un equipo dirigido por científicos de la Universidad de Padua en Italia utilizó la fuente de luz de rayos X PETRA III de DESY para estudiar un concepto completamente diferente: usar rayos X para alterar el vidrio sin calentarlo. Los resultados muestran que los átomos en el vidrio se mueven más como partículas cargadas aceleradas en el espacio interestelar, en lugar del movimiento esperado en el vidrio fundido. El estudio puede permitir una mejor comprensión de los materiales irradiados o incluso de nuevos materiales de vidrio con nuevas características físicas, como informa el equipo de investigación en la revista. Anales de la Academia Nacional de Ciencias (ANP).
El vidrio es un estado extraño de la materia: aunque parece un sólido, carece de la típica estructura atómica cristalina que se ve en la mayoría de los otros sólidos. Además, los átomos permanecen bloqueados en su posición; no se difunden en el material como en un líquido. Los vidrios pueden tener una variedad de propiedades físicas. El proceso de cambiar las propiedades de los vidrios, llamado recocido, implica calentar repetidamente el vidrio hasta que actúa más como un líquido y luego enfriarlo a diferentes velocidades. Esto se ve más notoriamente con los sopladores de vidrio: sumergen una bombilla de vidrio en el fuego, cambian su forma mientras se derrite usando su aliento y la sumergen en agua fría cuando terminan. Dependiendo del tiempo y la temperatura de calentamiento y enfriamiento que se utilice, se pueden fabricar muchos tipos de vidrios diferentes: unos súper resistentes, otros que se rompen en los bordes opacos, otros que resisten altas temperaturas y una infinidad de posibilidades más.
Los investigadores determinaron una forma de lograr un efecto similar al recocido tradicional del vidrio usando rayos X. Al exponer láminas finas de sílice (SiOdos) a los rayos X generados por la fuente de luz PETRA III en DESY y al examinar los cambios en el material, el equipo pudo monitorear el movimiento atómico dentro de la muestra. Los resultados diferían de lo que sucede cuando el vidrio simplemente se calienta y se derrite: en lugar de que los átomos fluyan entre sí a un ritmo consistentemente más rápido, en la muestra irradiada, algunos de los átomos tendieron a dar saltos gigantes comparables dentro del material. El proceso de rayos X tuvo lugar sin que el vidrio cambiara de temperatura.
Giulio Monaco, profesor de la Universidad de Padua que dirigió la investigación, describe la diferencia en el movimiento atómico: “Con el recocido de vidrio tradicional, es como si el átomo en el vidrio fuera un turista en algún lugar, caminando y viendo los lugares de interés. Con los rayos X en el cristal, el turista, nuestro átomo, se sube a un avión y se va a otra ciudad y empieza a ver de nuevo los paisajes”.
«Este efecto se puede utilizar como una herramienta de sondeo para obtener una comprensión más profunda de cómo se mueven los átomos en los vidrios», dice el científico de DESY Michael Sprung, gerente de la línea de luz a cargo de la estación experimental P10 en PETRA III, donde se llevó a cabo la investigación y co- autor del artículo. “Nuestro equipo se dio cuenta de que los rayos X causaban diferencias medibles entre la dinámica observada y la esperada. Ahora hay una comprensión más profunda del efecto en sí mismo”.
Francesco Dallari, uno de los primeros autores del estudio, dice que el rebote es causado por rayos X que rompen los enlaces entre el silicio y el oxígeno en el vidrio de sílice. Esto es causado por los electrones en los átomos que son excitados por los rayos X y los átomos se repelen entre sí con gran fuerza dentro de la forma no estructurada del vidrio, un fenómeno que está literalmente fuera de este mundo. El mismo efecto, llamado aceleración atómica estocástica, se observa en la aceleración de partículas cósmicas en cuerpos interestelares como los agujeros negros, pero en una escala de energía y distancia completamente masiva en comparación con los átomos en el vidrio.
Comprender el efecto de los rayos X sobre el vidrio podría abrir la puerta al descubrimiento de muchas propiedades nuevas y hasta ahora desconocidas del vidrio. “Esta investigación muestra que es posible adaptar las propiedades de los vidrios con radiación en lugar de calor”, dice Dallari, quien era becario postdoctoral en DESY en el momento del experimento y ahora está con el grupo de Mónaco en Padua. “Dependiendo de la aplicación, es posible que los vidrios deban enfriarse o templarse rápidamente. Usar rayos X sería como una extinción súper rápida”. Qué tipo de propiedades proporcionaría esto en diferentes situaciones será el tema de futuras investigaciones. En el ejemplo utilizado en este experimento, el vidrio se volvió más quebradizo, pero otros cambios en la composición del vidrio, la energía de los rayos X y el tiempo de exposición pueden producir efectos completamente diferentes.
“Este resultado puede influir en cómo se interpreta la fatiga de los materiales irradiados, por ejemplo”, dice Sprung. Esto también puede tener un fuerte efecto en una amplia gama de casos de uso, como equipos médicos o instalaciones de investigación.
El equipo de Mónaco tiene una subvención del Consejo Europeo de Investigación para investigar este fenómeno y continuará su trabajo en DESY.
“Este es solo el primer ejemplo”, dice Mónaco. “La historia parece volverse más interesante”.
En este trabajo participaron científicos de las Universidades de Padua, Trento y Amsterdam, así como de DESY.
