El vidrio, también llamado cristal en Español, es un material que no es muy nuevo para la humanidad. Llevamos usándolo varios milenios, desde el uso de la obsidiana en el neolítico(1), y después de avances muy importante como la caña de soplado de los romanos y gran la automatización de la revolución industrial, no se produjeron avances significativos en su fabricación.
Es muy caro de producir porque no se pueden emplear sistemas de moldeo por inyección: cuando está muy caliente es una pasta muy poco viscosa, que no se presta bien al tratamiento por inyección. Sin embargo, recientemente un grupo de científicos han hecho un avance muy interesante: han logrado fabricar vidrio transparente usando el moldeo por inyección y un post-tratamiento de calentado y sinterización(2) en hornos.
Comienzan su artículo explicando la gran importancia que tienen los vidrios para la sociedad actual, pues forman parte de elementos tan importantes como las fibras ópticas y tan cotidianos como vasos y botellas. Explican después que debido a los altos costes de fabricación y la imposibilidad de emplear sistemas de moldeado por inyección con vidrio hacen que con frecuencia se empleen plásticos para lentes pequeñas, por ejemplo en los teléfonos móviles actuales, en lugar de vidrios.
Sin embargo, las propiedades térmicas, ópticas y químicas de vidrios de sílice, los más comunes, son muy superiores a las de los plásticos. Claro, como el artículo comenta, para poder emplear moldeo por inyección de plásticos, hay que tener unos 200 ºC, mientras que la mayoría de los vidrios se producen a temperaturas en torno a 2000 ºC. Esto hace no sólo que sean difíciles de manejar, sino que la cantidad de energía necesaria para poder fabricarlos sea también muy alta. Los autores del artículo resumen los problemas que tiene el vidrio para poder ser empleado de manera más masiva en dos puntos:
- Su fabricación exige muchísima energía y
- no se pueden emplear técnicas de moldeado por inyección con él.
Para resolver este problema, los autores emplean nanopartículas de 50 a 100 nanómetros de diámetro de vidrio mezclados con termoplásticos que emplean en un esquema de fabricación similar al de moldeo por inyección, donde después de moldear la pieza por compresión, se somete a un lavado con agua y posterior tratamiento en horno.
Para iniciar su proceso de fabricación, necesitan un polvo adecuado. Lo fabricaron mezclando nanopartículas de sílice con dos polímeros, uno actuando como plastificante y el otro como solvente. Después de mezclar bien y retirar el solvente, el producto resultante se pudo extruir en máquinas comerciales.
Luego, lo sometieron a procesos de moldeado por inyección habituales, con presiones de 700 a 1.000 bares. El resultado es lo que se suele llamar la «pieza en verde», que luego hay que limpiar usando agua a 40 ºC para quitar el solvente de la misma. Los autores comentan que este proceso, lógicamente, necesita más tiempo según el grosor de la pieza, llegando en sus experimentos a necesitar 10 horas para poder hacer piezas de 10 mm de grosor. Luego, realizan un desagregamiento en esta pieza para eliminar el plástico mediante tratamientos térmico convencionales en un horno con rampas de temperatura controlada, donde la temperatura más alta que necesitaron fue de 600 ºC. El último paso es la síntesis final en un horno de alta temperatura a 1.300 ºC en vacío. Parece mucho, pero la temperatura a la que normalmente se produce el vidrio es superior a 2.000 ºC, con lo que este método presenta ventajas relevantes, como ya se comentó antes.
Todo el proceso hasta la consecución de la pieza final está resumida en la siguiente figura:
Para comprobar si su material podía emplearse directamente en máquinas comerciales, hicieron pruebas con diversas formas, algunas de ellas francamente complicadas como muestra la figura más abajo, y comprobaron que podían llegar a obtener piezas pequeñas con un tiempo total de fabricación de aproximadamente 5 horas por pieza. Además, al usar esta máquina pudieron fabricar una gran cantidad de componentes y formas geométricas, sin posterior pretatratado de la superficie más allá de las etapas de desagregamiento y calentado. De hecho, comentan en un momento posterior del artículo que la rugosidad media de sus piezas es de 3,8 nm.
Hacen notar después que todas las ventajas del moldeado por inyección se mantienen, de tal forma que este nuevo método de manejo del plástico permite la fabricación de micro componentes en vidrio que tiene varios usos. Como ejemplo, usaron lentes de Fresnel, un elemento muy empleado en comunicaciones ópticas. Además, fabricaron también pequeñas cubetas de vidrio que pueden emplearse para su uso en sistemas de microfluidos, con aplicaciones potenciales muy interesantes.
Al emplear directamente este sistema de fabricación comprobaron que la reproducción del molde por parte de la pieza es tan buena, que la presencia de imperfecciones en el molde es determinante en la calidad de la pieza final, algo bien conocido en este tipo de sistemas de fabricación.
Concluyen el artículo diciendo que el nuevo esquema de fabricación del vidrio que ellos proponen podría dar lugar a un salto en el empleo del vidrio, un material con muchas ventajas sobre el plástico, avanzando así en sistemas de economía que necesiten menos recursos energéticos del planeta. Quizás esto sea una visión muy optimista que no tiene en cuenta que tan pronto como una tecnología es lo suficientemente barata, su uso se generaliza tanto que el consumo final de energía aumenta. Pero está claro que es un avance magnífico aumentar nuestro arsenal de técnicas de fabricación con el añadido del moldeo por inyección al vidrio.
El artículo se publiucó en la revista Science, vol. 372: High-throughput injection molding of transparent fused silica glass.
Notas:
(1) En este blog lo explican muy bien: Historia del vidrio.
(2) La sinterización consisten en el fundido por calor de las partículas que forman un agregado, dándole una mayor estabilidad estructural y generalmente mejores propiedades a la pieza que se somete a este proceso. Se emplean para la fabricación de piezas en dos partes, con una primera parte donde se realiza un moldeado y compresión desde polvo.