23.01.2023 - Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY

Los átomos de un cristal saltan de forma similar a las partículas cósmicas

Un experimento con rayos X muestra una posible vía novedosa para adaptar las propiedades de los vidrios: "La historia parece ponerse más interesante"

Durante miles de años, personas de todo el mundo han experimentado con distintas formas de fabricar vidrios con propiedades variables calentándolos hasta que se funden y enfriándolos de nuevo. Un equipo dirigido por científicos de la Universidad de Padua (Italia) ha utilizado la fuente de luz de rayos X PETRA III de DESY para estudiar un concepto completamente distinto: utilizar rayos X para alterar el vidrio sin calentarlo. Los resultados muestran que los átomos del vidrio se mueven de forma más parecida a las partículas cargadas que aceleran en el espacio interestelar que al movimiento esperado en el vidrio fundido. El estudio puede permitir una mejor comprensión de los materiales irradiados o incluso nuevos materiales de vidrio con nuevas características físicas, según informa el equipo de investigación en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

El vidrio es un extraño estado de la materia: Aunque parece un sólido, carece de la típica estructura atómica cristalina que se observa en la mayoría de los demás sólidos. Además, los átomos permanecen pegados en su posición; no se difunden en el material como en un líquido. Los vidrios pueden tener diversas propiedades físicas. El proceso para cambiar las propiedades de los vidrios, denominado recocido, consiste en calentarlos repetidamente hasta que se comporten como líquidos y, a continuación, enfriarlos a distintas velocidades. Es el caso más conocido de los sopladores de vidrio: Introducen un bulbo de vidrio en el fuego, cambian su forma mientras está fundido utilizando su aliento y lo mojan en agua fría cuando terminan. Según el tiempo y la temperatura de calentamiento y enfriamiento utilizados, se pueden fabricar muchos tipos distintos de vidrio: unos superresistentes, otros que se rompen en bordes romos, más que resisten altas temperaturas y un sinfín de posibilidades más.

Los investigadores determinaron una forma de conseguir un efecto similar al del recocido tradicional del vidrio utilizando rayos X. Al exponer finas láminas de sílice (SiO2) a los rayos X generados por la fuente de luz PETRA III del DESY y examinar los cambios que se producían en el material, el equipo pudo controlar el movimiento atómico dentro de la muestra. Los resultados difirieron de lo que ocurre cuando el vidrio simplemente se calienta y se funde: en lugar de que los átomos fluyan unos alrededor de otros a un ritmo sistemáticamente más rápido, en la muestra irradiada algunos de los átomos tendían a dar saltos comparativamente gigantescos dentro del material. El proceso de los rayos X se produjo 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 tradicional del vidrio, es como si el átomo en el vidrio fuera un turista en algún lugar, dando vueltas y viendo las vistas. Con los rayos X en el vidrio, el turista -nuestro átomo- se sube a un avión y se va a otra ciudad y empieza a ver las vistas de nuevo".

"Este efecto puede utilizarse como herramienta de sondeo para conocer mejor cómo se mueven los átomos en los vidrios", explica Michael Sprung, científico del DESY y responsable de la línea de luz de la estación experimental P10 de PETRA III, donde se llevó a cabo la investigación y coautor del artículo. "Nuestro equipo se dio cuenta de que los rayos X provocaban diferencias mensurables entre la dinámica observada y la esperada. Ahora se comprende mejor el efecto en sí".

Francesco Dallari, primer autor del estudio, afirma que los saltos se deben a que los rayos X rompen los enlaces entre el silicio y el oxígeno en el vidrio de sílice. Esto se debe a que los electrones de los átomos son excitados por los rayos X y, a partir de entonces, los átomos se repelen entre sí con gran fuerza dentro de la forma desestructurada del vidrio, un fenómeno que es, literalmente, algo fuera de este mundo. El mismo efecto, denominado aceleración atómica estocástica, se observa en la aceleración de partículas cósmicas en cuerpos interestelares como los agujeros negros, pero a una escala de energía y distancia totalmente masiva en comparación con los átomos del vidrio.

Comprender el efecto de los rayos X en el vidrio podría abrir la puerta al descubrimiento de muchas propiedades nuevas y hasta ahora desconocidas de los vidrios. "Esta investigación demuestra que se pueden adaptar las propiedades de los vidrios con radiación en lugar de calor", afirma Dallari, que era postdoctorando en el DESY cuando se realizó el experimento y ahora trabaja en el grupo de Monaco en Padua. "Dependiendo de la aplicación, los vidrios deben enfriarse o enfriarse rápidamente. Utilizar los rayos X sería como un enfriamiento superrápido". 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 podrían producir efectos completamente distintos.

"Este resultado podría influir en cómo se interpreta, por ejemplo, la fatiga de los materiales irradiados", dice Sprung. Esto también podría tener un fuerte efecto en una amplia gama de casos de uso, como en equipos médicos o en instalaciones de investigación".

El equipo de Monaco cuenta con una beca del Consejo Europeo de Investigación para investigar este fenómeno y continuará su trabajo en el DESY.

"Este es sólo el primer ejemplo", afirma Monaco. "Parece que la historia se pone cada vez más interesante".

En este trabajo han participado científicos de las universidades de Padua, Trento y Ámsterdam, así como del DESY.

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

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