Investigadores brasileños desarrollan vidrio especial de alta tecnología utilizando niobio

Investigadores brasileños desarrollaron un nuevo método para la producción de vidrio. Ahora, el Nióbio se añade, pudiendo cambiar el rumbo del sector tecnológico.

Los vidrios de alta calidad están prácticamente en todos lados de nuestro cotidiano, desde las pantallas de los smartphones hasta los componentes de microscopios y telescopios enfocados en la investigación científica, además de las fibras ópticas destinadas a la transmisión de datos y hasta órtesis vitrocerámicas cada vez más utilizadas en la medicina. Con un enfoque en innovar aún más, investigadores brasileños desarrollaron una técnica que permite mejorar la estabilidad mecánica y térmica de los llamados vidrios especiales utilizando nióbio.

Nuevo vidrio utiliza Nióbio en su composición

Henrik Bradtmuller y otros investigadores del Centro de Investigación, Educación e Innovación en Vidrios (CERTEV) situado en la Universidad Federal de São Carlos, demostraron, por primera vez, que el uso de óxido de nióbio en la producción de los vidrios a base de silicio genera una enorme diferencia, resultando en la polimerización de la red de silicio, aumentando la densidad de los enlaces y la conectividad del material.

Además, niveles más altos de nióbio conducen al agrupamiento del óxido, ampliando la polarizabilidad electrónica del vidrio, con un impacto esencial en sus propiedades ópticas, según los investigadores.

La calidad superior del nuevo vidrio con nióbio fue confirmada por una combinación de modelos computacionales con análisis experimentales, utilizando espectroscopía por resonancia magnética nuclear y espectroscopía Raman.

Según Bradtmuller, la estrategia de los investigadores, uniendo estas dos técnicas observacionales en el nuevo vidrio con modelación computacional, podrá ser utilizada para estudiar elementos funcionales de varios otros tipos de vidrio, incluidos materiales ópticos, conductores vítreos de iones rápidos, vidrios bioactivos.

La iniciativa facilitará el diseño de formulaciones de vidrio innovadoras, adaptadas a varias aplicaciones. Para satisfacer las aplicaciones avanzadas en dispositivos de alta tecnología, los investigadores de materiales están enfocándose en el diseño de vidrios con propiedades ajustadas para cada aplicación, utilizando principalmente recursos computacionales como el aprendizaje automático.

Adición de Nióbio en el vidrio genera una especie de polimerización de la red de silicio-oxígeno

Para atender las aplicaciones avanzadas es necesario dos factores críticos, siendo estos generar bases de datos amplias y confiables y definir parámetros estructurales que consideren la compleja naturaleza físico-química del vidrio y sus propiedades funcionales. Es aquí donde entra la principal contribución del equipo brasileño.

Para Bradtmuller, hay una clase de óxidos, llamados intermediarios, que desempeñan un papel estratégico en este nuevo momento de la tecnología. Ellos no forman vidrios bajo condiciones estándar de enfriamiento en laboratorio. Por otro lado, en presencia de otros óxidos, pueden contribuir significativamente, generando puentes de hidrógeno y conferiendo al vidrio formado propiedades de interés. Es el caso del óxido de nióbio.

Los vidrios que contienen nióbio son valorados por sus propiedades ópticas no lineales, con aplicaciones potenciales en dispositivos optoelectrónicos, así como por sus propiedades mecánicas, siendo utilizados en la confección de materiales bioactivos.

Sin embargo, fue el equipo brasileño de investigadores quien descubrió que la adición de nióbio genera una especie de polimerización de la red de silicio-oxígeno, ampliando la conectividad de los elementos componentes del vidrio, lo que convierte al nióbio en un formador de red. Mientras que en los vidrios silicatos, en la escala de 5 a 10 nanómetros, los iones de litio se distribuyen de forma aleatoria, el nióbio tiende a formar agrupaciones, un tipo de arreglo estructural que nunca había sido observado.

¿Por qué el estudio con nióbio no fue pensado antes?

Bradtmuller concluye que, a pesar de que varios estudios con Nióbio ya se habían realizado, el papel estructural del nióbio permanecía oscuro, principalmente debido a la falta de datos sistemáticos de la caracterización espectroscópica. Fue de esta falta de conocimiento que el estudio de los investigadores llenó.

Además de los investigadores brasileños, científicos de Pensilvania desarrollaron un nuevo vidrio que es 10 veces más resistente a quiebres y grietas. El producto es mucho menos contaminante, consume menos energía, y puede hacer que la producción de vidrio sea sostenible a largo plazo.