Vidro
Vidro é um sólido amorfo não cristalino, muitas vezes transparente, que tem uso prático, tecnológico e decorativo generalizado, por exemplo, em vidraças, talheres e ótica. O vidro é mais frequentemente formado por resfriamento rápido (têmpera) da forma fundida; alguns vidros, como o vidro vulcânico, ocorrem naturalmente. Os tipos de vidro manufaturados mais conhecidos e historicamente os mais antigos são os "vidros de silicato" à base do composto químico sílica (dióxido de silício, ou quartzo), constituinte primário da areia. O vidro de cal sodada, contendo cerca de 70% de sílica, representa cerca de 90% do vidro manufaturado. O termo vidro, no uso popular, costuma ser usado para se referir apenas a esse tipo de material, embora os vidros sem sílica geralmente tenham propriedades desejáveis para aplicações em tecnologia de comunicação moderna. Alguns objetos, como copos e óculos, são tão comumente feitos de vidro à base de silicato que são simplesmente chamados pelo nome do material.
Apesar de ser frágil, o vidro de silicato enterrado sobreviverá por períodos muito longos se não for perturbado, e existem muitos exemplos de fragmentos de vidro das primeiras culturas de fabricação de vidro. Evidências arqueológicas sugerem que a fabricação de vidro remonta a pelo menos 3.600 aC na Mesopotâmia, Egito ou Síria. Os primeiros objetos de vidro conhecidos eram contas, talvez criadas acidentalmente durante a usinagem de metais ou a produção de faiança. Devido à sua facilidade de moldagem em qualquer formato, o vidro tem sido tradicionalmente usado para recipientes, como tigelas, vasos, garrafas, potes e copos. Em suas formas mais sólidas, também tem sido usado para pisa-papéis e mármores. O vidro pode ser colorido adicionando sais de metal ou pintado e impresso com esmaltes vítreos, levando ao seu uso em vitrais e outros objetos de arte em vidro. As propriedades refrativas, reflexivas e de transmissão do vidro o tornam adequado para a fabricação de lentes ópticas, prismas e materiais optoeletrônicos. As fibras de vidro extrudadas têm aplicação como fibras ópticas em redes de comunicação, material isolante térmico quando emaranhadas como lã de vidro para reter o ar, ou em plástico reforçado com fibra de vidro (fibra de vidro).
Estrutura microscópica
A definição padrão de um vidro (ou sólido vítreo) é um sólido formado por resfriamento rápido por fusão. No entanto, o termo "vidro" é frequentemente definido em um sentido mais amplo, para descrever qualquer sólido não cristalino (amorfo) que exibe uma transição vítrea quando aquecido em direção ao estado líquido.
O vidro é um sólido amorfo. Embora a estrutura em escala atômica do vidro compartilhe características da estrutura de um líquido super-resfriado, o vidro exibe todas as propriedades mecânicas de um sólido. Como em outros sólidos amorfos, a estrutura atômica de um vidro carece da periodicidade de longo alcance observada em sólidos cristalinos. Devido às restrições de ligação química, os vidros possuem um alto grau de ordem de curto alcance em relação aos poliedros atômicos locais. A noção de que o vidro flui em uma extensão apreciável durante longos períodos de tempo não é suportada por pesquisas empíricas ou análises teóricas (consulte a viscosidade em sólidos). Embora uma viscosidade de material da ordem de 1017–1018 Pa s possa ser medida em vidro, um valor tão alto reforça o fato de que o vidro não mudaria de forma apreciavel ao longo mesmo grandes períodos de tempo.
Formação de um líquido super-resfriado
Qual é a natureza da transição entre um fluido ou sólido regular e uma fase vidrante? "O problema mais profundo e mais interessante não resolvido na teoria do estado sólido é provavelmente a teoria da natureza do vidro e da transição de vidro." —P.W. Anderson
Para têmpera por fusão, se o resfriamento for suficientemente rápido (em relação ao tempo de cristalização característico), a cristalização é evitada e, em vez disso, a configuração atômica desordenada do líquido superresfriado é congelada no estado sólido em Tg. A tendência de um material formar um vidro enquanto temperado é chamada de capacidade de formação de vidro. Essa capacidade pode ser prevista pela teoria da rigidez. Geralmente, um vidro existe em um estado estruturalmente metaestável em relação à sua forma cristalina, embora em certas circunstâncias, por exemplo em polímeros atáticos, não haja análogo cristalino da fase amorfa.
O vidro às vezes é considerado um líquido devido à falta de uma transição de fase de primeira ordem onde certas variáveis termodinâmicas como volume, entropia e entalpia são descontínuas ao longo da faixa de transição vítrea. A transição vítrea pode ser descrita como análoga a uma transição de fase de segunda ordem, onde as variáveis termodinâmicas intensivas, como a expansividade térmica e a capacidade de calor, são descontínuas. No entanto, a teoria de equilíbrio das transformações de fase não se aplica ao vidro e, portanto, a transição vítrea não pode ser classificada como uma das transformações de fase de equilíbrio clássicas em sólidos.
Ocorrência na natureza
O vidro pode se formar naturalmente a partir do magma vulcânico. A obsidiana é um vidro vulcânico comum com alto teor de sílica (SiO2) formado quando a lava félsica expelida de um vulcão esfria rapidamente. A impactita é uma forma de vidro formada pelo impacto de um meteorito, onde a Moldavita (encontrada na Europa central e oriental) e o vidro do deserto da Líbia (encontrado em áreas no leste do Saara, nos desertos do leste da Líbia e no oeste do Egito) são exemplos notáveis. A vitrificação do quartzo também pode ocorrer quando um raio atinge a areia, formando estruturas ocas e ramificadas chamadas fulguritos. Trinitite é um resíduo vítreo formado a partir da areia do solo do deserto no local de teste da bomba nuclear de Trinity. O vidro de Edeowie, encontrado no sul da Austrália, é proposto como originário de incêndios em pastagens do Pleistoceno, relâmpagos ou impacto de hipervelocidade por um ou vários asteróides ou cometas.
Um pedaço de vidro obsidiano vulcânico
Moldavite, um vidro natural formado por impacto de meteorito, de Besednice, Bohemia
fulguradores de tubos
Trinitite, um copo feito pelo teste de arma nuclear da Trindade
Vidro de deserto líbio
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História
O vidro de obsidiana natural foi usado pelas sociedades da Idade da Pedra, pois se fratura ao longo de bordas muito afiadas, tornando-o ideal para ferramentas de corte e armas. A fabricação de vidro remonta a pelo menos 6.000 anos, muito antes de os humanos descobrirem como fundir o ferro. Evidências arqueológicas sugerem que o primeiro vidro sintético verdadeiro foi feito no Líbano e na costa norte da Síria, Mesopotâmia ou antigo Egito. Os primeiros objetos de vidro conhecidos, de meados do terceiro milênio aC, eram contas, talvez inicialmente criadas como subprodutos acidentais da usinagem de metais (escórias) ou durante a produção de faiança, um material vítreo pré-vidro feito por um processo semelhante ao envidraçamento.. O vidro antigo raramente era transparente e muitas vezes continha impurezas e imperfeições, e é tecnicamente faiança em vez de vidro verdadeiro, que não apareceu até o século XV aC. No entanto, contas de vidro vermelho-alaranjadas escavadas na Civilização do Vale do Indo datadas antes de 1700 aC (possivelmente já em 1900 aC) antecedem a produção sustentada de vidro, que apareceu por volta de 1600 aC na Mesopotâmia e 1500 aC no Egito. Durante o final da Idade do Bronze, houve um rápido crescimento na tecnologia de fabricação de vidro no Egito e na Ásia Ocidental. Achados arqueológicos desse período incluem lingotes de vidro colorido, vasos e contas. Grande parte da produção inicial de vidro dependia de técnicas de moagem emprestadas do trabalho em pedra, como moer e esculpir vidro em estado frio.
O termo vidro foi desenvolvido no final do Império Romano. Foi no centro romano de fabricação de vidro em Trier (localizado na atual Alemanha) que o termo latino tardio glesum se originou, provavelmente de uma palavra germânica para uma substância transparente e lustrosa. Objetos de vidro foram recuperados em todo o Império Romano em contextos domésticos, funerários e industriais, bem como itens comerciais em mercados em províncias distantes. Exemplos de vidro romano foram encontrados fora do antigo Império Romano na China, Báltico, Oriente Médio e Índia. Os romanos aperfeiçoaram o vidro camafeu, produzido por gravura e entalhe através de camadas fundidas de cores diferentes para produzir um desenho em relevo no objeto de vidro.
Na África Ocidental pós-clássica, o Benin era um fabricante de vidro e contas de vidro. O vidro foi amplamente utilizado na Europa durante a Idade Média. O vidro anglo-saxão foi encontrado em toda a Inglaterra durante escavações arqueológicas de assentamentos e cemitérios. A partir do século X, o vidro foi empregado em vitrais de igrejas e catedrais, com exemplos famosos na Catedral de Chartres e na Basílica de Saint-Denis. No século XIV, os arquitetos projetavam edifícios com paredes de vitrais, como Sainte-Chapelle, Paris (1203–1248) e a extremidade leste da Catedral de Gloucester. Com a mudança no estilo arquitetônico durante o período renascentista na Europa, o uso de grandes vitrais tornou-se muito menos prevalente, embora o vitral tenha tido um grande renascimento com a arquitetura neogótica no século XIX.
Durante o século XIII, a ilha de Murano, em Veneza, tornou-se um centro de produção de vidro, baseando-se em técnicas medievais para produzir peças ornamentais coloridas em grandes quantidades. Os fabricantes de vidro de Murano desenvolveram o cristallo de vidro incolor excepcionalmente claro, assim chamado por sua semelhança com o cristal natural, que foi amplamente utilizado para janelas, espelhos, espelhos de navios, etc. lanternas e lentes. Nos séculos 13, 14 e 15, a esmaltação e o dourado em vasos de vidro foram aperfeiçoados no Egito e na Síria. No final do século XVII, a Boêmia tornou-se uma região importante para a produção de vidro, permanecendo assim até o início do século XX. No século 17, o vidro na tradição veneziana também estava sendo produzido na Inglaterra. Por volta de 1675, George Ravenscroft inventou o cristal de chumbo, com o vidro lapidado se tornando moda no século XVIII. Objetos de vidro ornamentais tornaram-se um meio de arte importante durante o período Art Nouveau no final do século XIX.
Ao longo do século 20, novas técnicas de produção em massa levaram à ampla disponibilidade de vidro em quantidades muito maiores, tornando-o prático como material de construção e permitindo novas aplicações de vidro. Na década de 1920, foi desenvolvido um processo de gravura em molde, no qual a arte era gravada diretamente no molde, de modo que cada peça fundida saísse do molde com a imagem já na superfície do vidro. Isso reduziu os custos de fabricação e, combinado com um uso mais amplo de vidro colorido, levou a uma vidraria barata na década de 1930, que mais tarde ficou conhecida como vidro da Depressão. Na década de 1950, a Pilkington Bros., na Inglaterra, desenvolveu o processo de vidro float, produzindo folhas planas de vidro sem distorção de alta qualidade flutuando em estanho fundido. Edifícios modernos de vários andares são freqüentemente construídos com paredes de cortina feitas quase inteiramente de vidro. O vidro laminado tem sido amplamente aplicado em veículos para para-brisas. O vidro óptico para óculos é usado desde a Idade Média. A produção de lentes tornou-se cada vez mais eficiente, auxiliando os astrônomos, além de ter outras aplicações na medicina e na ciência. O vidro também é empregado como cobertura de abertura em muitos coletores de energia solar.
No século 21, os fabricantes de vidro desenvolveram diferentes marcas de vidro quimicamente reforçado para aplicação generalizada em telas sensíveis ao toque para smartphones, tablets e muitos outros tipos de aparelhos de informação. Isso inclui o Gorilla Glass, desenvolvido e fabricado pela Corning, Dragontrail da AGC Inc. e Xensation da Schott AG.
Propriedades físicas
Óptico
O vidro é amplamente utilizado em sistemas ópticos devido à sua capacidade de refratar, refletir e transmitir luz seguindo a óptica geométrica. As aplicações mais comuns e antigas do vidro na óptica são como lentes, janelas, espelhos e prismas. As principais propriedades ópticas índice de refração, dispersão e transmissão do vidro dependem fortemente da composição química e, em menor grau, de sua história térmica. O vidro óptico normalmente tem um índice de refração de 1,4 a 2,4 e um número de Abbe (que caracteriza a dispersão) de 15 a 100. O índice de refração pode ser modificado por aditivos de alta densidade (aumento do índice de refração) ou de baixa densidade (diminuição do índice de refração)..
A transparência do vidro resulta da ausência de contornos de grão que dispersam a luz difusamente em materiais policristalinos. A semi-opacidade devido à cristalização pode ser induzida em muitos vidros, mantendo-os por um longo período a uma temperatura insuficiente para causar fusão. Desta forma, é produzido o material cristalino e desvitrificado, conhecido como porcelana de vidro de Réaumur. Embora geralmente transparentes à luz visível, os óculos podem ser opacos a outros comprimentos de onda de luz. Enquanto os vidros de silicato são geralmente opacos aos comprimentos de onda infravermelhos com um corte de transmissão de 4 μm, os vidros de fluoreto de metal pesado e calcogeneto são transparentes aos comprimentos de onda infravermelhos de 7 a 18 μm. A adição de óxidos metálicos resulta em vidros de cores diferentes, pois os íons metálicos absorvem comprimentos de onda de luz correspondentes a cores específicas.
Outro
No processo de fabricação, os vidros podem ser vazados, formados, extrudados e moldados em formas que variam de folhas planas a formas altamente intrincadas. O produto acabado é frágil e irá fraturar, a menos que seja laminado ou revenido para aumentar a durabilidade. O vidro é tipicamente inerte, resistente ao ataque químico e pode suportar principalmente a ação da água, tornando-o um material ideal para a fabricação de recipientes para alimentos e a maioria dos produtos químicos. No entanto, embora geralmente altamente resistente ao ataque químico, o vidro pode corroer ou dissolver sob algumas condições. Os materiais que compõem uma determinada composição de vidro afetam a rapidez com que o vidro corrói. Vidros contendo uma alta proporção de elementos alcalinos ou alcalino-terrosos são mais suscetíveis à corrosão do que outras composições de vidro.
A densidade do vidro varia com a composição química com valores que variam de 2,2 gramas por centímetro cúbico (2.200 kg/m3) para sílica fundida a 7,2 gramas por centímetro cúbico (7.200 kg/m3) para vidro de sílex denso. O vidro é mais forte do que a maioria dos metais, com uma resistência à tração teórica para vidro puro e impecável estimada em 14 a 35 gigapascals (2.000.000 a 5.100.000 psi) devido à sua capacidade de sofrer compressão reversível sem fratura. No entanto, a presença de arranhões, bolhas e outras falhas microscópicas levam a uma faixa típica de 14 a 175 megapascais (2.000 a 25.400 psi) na maioria dos vidros comerciais. Vários processos, como o endurecimento, podem aumentar a resistência do vidro. Fibras de vidro sem falhas cuidadosamente desenhadas podem ser produzidas com resistência de até 11,5 gigapascais (1.670.000 psi).
Fluxo reputado
A observação de que as janelas antigas às vezes são mais grossas na parte inferior do que na parte superior é frequentemente oferecida como evidência de suporte para a visão de que o vidro flui ao longo de uma escala de tempo de séculos, supondo-se que o vidro exibiu a propriedade líquida de fluir de uma forma para outra. Essa suposição é incorreta, pois uma vez solidificado, o vidro para de fluir. As dobras e ondulações observadas no vidro velho já estavam lá no dia em que foi feito; os processos de fabricação usados no passado produziram chapas com superfícies imperfeitas e espessura não uniforme (o vidro float quase perfeito usado hoje só se difundiu na década de 1960).
Um estudo de 2017 calculou a taxa de fluxo do vidro medieval usado na Abadia de Westminster a partir do ano de 1268. O estudo descobriu que a viscosidade desse vidro à temperatura ambiente era de aproximadamente 1024 Pa·s que é cerca de 1016 vezes menos viscoso do que uma estimativa anterior feita em 1998, que se concentrou no vidro de silicato de cal sodada. Mesmo com essa viscosidade mais baixa, os autores do estudo calcularam que a vazão máxima do vidro medieval é de 1 nm por bilhão de anos, impossibilitando a observação em uma escala de tempo humana.
Tipos
Silicato
O dióxido de silício (SiO2) é um constituinte fundamental comum do vidro. O quartzo fundido é um vidro feito de sílica quimicamente pura. Possui baixíssima expansão térmica e excelente resistência ao choque térmico, sendo capaz de sobreviver à imersão em água em brasa, resiste a altas temperaturas (1.000–1.500 °C) e intempéries químicas, além de ser muito duro. Também é transparente em uma faixa espectral mais ampla do que o vidro comum, estendendo-se do visível para as faixas UV e IR, e às vezes é usado onde a transparência para esses comprimentos de onda é necessária. O quartzo fundido é usado para aplicações de alta temperatura, como tubos de forno, tubos de iluminação, cadinhos de fusão, etc. No entanto, sua alta temperatura de fusão (1723 °C) e viscosidade dificultam o trabalho. Portanto, normalmente outras substâncias (fluxos) são adicionadas para diminuir a temperatura de fusão e simplificar o processamento do vidro.
Soda–lima
O carbonato de sódio (Na2CO3, "soda") é um aditivo comum e atua para diminuir a temperatura de transição vítrea. No entanto, o silicato de sódio é solúvel em água, de modo que a cal (CaO, óxido de cálcio, geralmente obtido a partir do calcário), juntamente com o óxido de magnésio (MgO) e o óxido de alumínio (Al2O3), são comumente adicionados para melhorar a durabilidade química. Vidros de cal sodada (Na2O) + cal (CaO) + magnésia (MgO) + alumina (Al2O3) representam mais de 75% de vidro manufaturado, contendo cerca de 70 a 74% de sílica em peso. O vidro de soda-cal-silicato é transparente, facilmente formado e mais adequado para vidros de janelas e talheres. No entanto, tem uma alta expansão térmica e baixa resistência ao calor. O vidro de cal sodada é normalmente usado para janelas, garrafas, lâmpadas e frascos.
Borosilicato
Os vidros de borosilicato (por exemplo, Pyrex, Duran) normalmente contêm 5–13% de trióxido de boro (B2O3). Os vidros de borosilicato têm coeficientes de expansão térmica relativamente baixos (7740 Pyrex CTE é 3,25×10−6/°C em comparação com cerca de 9×10−6/°C para um copo típico de soda-cal). Eles estão, portanto, menos sujeitos a tensões causadas pela expansão térmica e, portanto, menos vulneráveis a rachaduras por choque térmico. Eles são comumente usados para, e. utensílios de laboratório, utensílios de cozinha domésticos e faróis de carro de feixe selado.
Liderar
A adição de óxido de chumbo(II) ao vidro de silicato reduz o ponto de fusão e a viscosidade do fundido. A alta densidade do vidro de chumbo (sílica + óxido de chumbo (PbO) + óxido de potássio (K2O) + soda (Na2O) + óxido de zinco (ZnO) + alumina) resulta em uma alta densidade de elétrons e, portanto, alto índice de refração, tornando a aparência do vidro mais brilhante e causando visivelmente mais reflexão especular e maior dispersão óptica. O vidro de chumbo possui alta elasticidade, tornando a vidraria mais trabalhável e dando origem a um "anel" som quando atingido. No entanto, o vidro de chumbo não suporta bem altas temperaturas. O óxido de chumbo também facilita a solubilidade de outros óxidos metálicos e é usado em vidro colorido. A diminuição da viscosidade do vidro de chumbo fundido é muito significativa (cerca de 100 vezes em comparação com o vidro de soda); isso permite uma remoção mais fácil de bolhas e trabalhar em temperaturas mais baixas, daí seu uso frequente como aditivo em esmaltes vítreos e soldas de vidro. O alto raio iônico do íon Pb2+ o torna altamente imóvel e dificulta o movimento de outros íons; os vidros de chumbo, portanto, têm alta resistência elétrica, cerca de duas ordens de magnitude maior que o vidro de soda-cal (108,5 vs 106,5 Ω⋅cm, DC a 250 °C).
Aluminossilicato
O vidro de aluminossilicato normalmente contém 5–10% de alumina (Al2O3). O vidro de aluminossilicato tende a ser mais difícil de derreter e moldar em comparação com as composições de borosilicato, mas possui excelente resistência térmica e durabilidade. O vidro de aluminossilicato é amplamente utilizado para fibra de vidro, usado para fazer plásticos reforçados com vidro (barcos, varas de pescar, etc.), panelas de fogão e vidro de lâmpada halógena.
Outros aditivos de óxido
A adição de bário também aumenta o índice de refração. O óxido de tório dá ao vidro um alto índice de refração e baixa dispersão e era usado anteriormente na produção de lentes de alta qualidade, mas devido à sua radioatividade foi substituído pelo óxido de lantânio nos óculos modernos. O ferro pode ser incorporado ao vidro para absorver a radiação infravermelha, por exemplo, em filtros de absorção de calor para projetores de cinema, enquanto o óxido de cério (IV) pode ser usado para o vidro que absorve comprimentos de onda ultravioleta. O flúor reduz a constante dielétrica do vidro. O flúor é altamente eletronegativo e reduz a polarizabilidade do material. Vidros de silicato de flúor são usados na fabricação de circuitos integrados como isolante.
Vidrocerâmica
Os materiais vitrocerâmicos contêm vidro não cristalino e fases cerâmicas cristalinas. Eles são formados por nucleação controlada e cristalização parcial de um vidro base por tratamento térmico. Grãos cristalinos são muitas vezes incorporados dentro de uma fase intergranular não cristalina dos contornos de grão. As vitrocerâmicas exibem propriedades térmicas, químicas, biológicas e dielétricas vantajosas em comparação com metais ou polímeros orgânicos.
A propriedade comercialmente mais importante das vitrocerâmicas é a sua impermeabilidade ao choque térmico. Assim, as vitrocerâmicas tornaram-se extremamente úteis para cozinha de bancada e processos industriais. O coeficiente de expansão térmica negativo (CTE) da fase cerâmica cristalina pode ser equilibrado com o CTE positivo da fase vítrea. Em um determinado ponto (~ 70% cristalino), a vitrocerâmica tem um CTE líquido próximo de zero. Este tipo de vitrocerâmica exibe excelentes propriedades mecânicas e pode suportar mudanças de temperatura repetidas e rápidas de até 1000 °C.
Fibra de vidro
A fibra de vidro (também chamada de plástico reforçado com fibra de vidro, GRP) é um material composto feito pelo reforço de uma resina plástica com fibras de vidro. É feito derretendo o vidro e esticando o vidro em fibras. Essas fibras são tecidas juntas em um pano e deixadas para endurecer em uma resina plástica. A fibra de vidro tem as propriedades de ser leve e resistente à corrosão, além de ser um bom isolante, permitindo seu uso como material de isolamento de edifícios e para caixas eletrônicas de produtos de consumo. A fibra de vidro foi originalmente usada no Reino Unido e nos Estados Unidos durante a Segunda Guerra Mundial para fabricar radomes. Os usos da fibra de vidro incluem materiais de construção e construção, cascos de barcos, peças de carrocerias de automóveis e materiais compostos aeroespaciais.
A lã de fibra de vidro é um excelente material de isolamento térmico e acústico, comumente usado em edifícios (por exemplo, sótão e isolamento de paredes ocas), canalizações (por exemplo, isolamento de tubos) e insonorização. É produzido forçando o vidro fundido através de uma malha fina por força centrípeta e quebrando as fibras de vidro extrudadas em comprimentos curtos usando um fluxo de ar de alta velocidade. As fibras são coladas com um spray adesivo e a manta de lã resultante é cortada e embalada em rolos ou painéis.
Não silicato
Além dos vidros comuns à base de sílica, muitos outros materiais inorgânicos e orgânicos também podem formar vidros, incluindo metais, aluminatos, fosfatos, boratos, calcogenetos, fluoretos, germanatos (vidros à base de GeO2), teluritos (vidros à base de TeO 2), antimonatos (vidros à base de Sb2O3), arsenatos (vidros à base de As2O 3), titanatos (vidros à base de TiO2), tantalatos (vidros à base de Ta2O5), nitratos, carbonatos, plásticos, acrílicos e muitas outras substâncias. Alguns destes vidros (p. sua aplicação em guias de onda de fibra ótica em redes de comunicação e outras aplicações tecnológicas especializadas.
Os vidros sem sílica muitas vezes podem ter tendências de formação de vidro ruins. Novas técnicas, incluindo processamento sem contêiner por levitação aerodinâmica (resfriamento do fundido enquanto ele flutua em um fluxo de gás) ou têmpera por respingos (pressionando o fundido entre duas bigornas ou rolos de metal), podem ser usadas para aumentar a taxa de resfriamento ou reduzir os gatilhos de nucleação de cristais.
Metais amorfos
No passado, pequenos lotes de metais amorfos com configurações de alta área superficial (fitas, fios, filmes, etc.) foram produzidos através da implementação de taxas de resfriamento extremamente rápidas. Fios de metal amorfo foram produzidos por pulverização catódica de metal fundido em um disco de metal giratório.
Várias ligas foram produzidas em camadas com espessura superior a 1 milímetro. Estes são conhecidos como vidros metálicos a granel (BMG). A Liquidmetal Technologies vende vários BMGs baseados em zircônio.
Também foram produzidos lotes de aço amorfo que demonstram propriedades mecânicas muito superiores às encontradas em ligas de aço convencionais.
Evidências experimentais indicam que o sistema Al-Fe-Si pode passar por uma transição de primeira ordem para uma forma amorfa (apelidada de "q-vidro") em resfriamento rápido do derretido. As imagens de microscopia eletrônica de transmissão (TEM) indicam que o q-vidro nucleia a partir do fundido como partículas discretas com um crescimento esférico uniforme em todas as direções. Embora a difração de raios X revele a natureza isotrópica do vidro q, existe uma barreira de nucleação que implica uma descontinuidade interfacial (ou superfície interna) entre as fases de vidro e fusão.
Polímeros
Os vidros poliméricos importantes incluem compostos farmacêuticos amorfos e vítreos. Estes são úteis porque a solubilidade do composto é grandemente aumentada quando é amorfo em comparação com a mesma composição cristalina. Muitos fármacos emergentes são praticamente insolúveis em suas formas cristalinas. Muitos termoplásticos poliméricos conhecidos do uso diário são óculos. Para muitas aplicações, como garrafas de vidro ou óculos, os vidros de polímero (vidro acrílico, policarbonato ou tereftalato de polietileno) são uma alternativa mais leve ao vidro tradicional.
Líquidos moleculares e sais fundidos
Líquidos moleculares, eletrólitos, sais fundidos e soluções aquosas são misturas de diferentes moléculas ou íons que não formam uma rede covalente, mas interagem apenas por forças fracas de van der Waals ou por ligações de hidrogênio transitórias. Em uma mistura de três ou mais espécies iônicas de tamanho e forma diferentes, a cristalização pode ser tão difícil que o líquido pode ser facilmente super-resfriado em um vidro. Os exemplos incluem LiCl:RH2O (uma solução de sal de cloreto de lítio e moléculas de água) na faixa de composição 4<R<8. vidro de açúcar, ou Ca0,4K0,6(NO3)1,4. Eletrólitos de vidro na forma de vidro de lítio dopado com Ba e vidro de sódio dopado com Ba foram propostos como soluções para problemas identificados com eletrólitos líquidos orgânicos usados em modernas células de bateria de íons de lítio.
Produção
Após a preparação e mistura do lote de vidro, as matérias-primas são transportadas para o forno. O vidro de cal sodada para produção em massa é fundido em fornos de fusão de vidro. Fornos de menor escala para vidros especiais incluem derretedores elétricos, fornos de pote e tanques diurnos. Após fusão, homogeneização e refino (remoção de bolhas), forma-se o vidro. O vidro plano para janelas e aplicações similares é formado pelo processo do vidro float, desenvolvido entre 1953 e 1957 por Sir Alastair Pilkington e Kenneth Bickerstaff da Pilkington Brothers do Reino Unido, que criaram uma fita contínua de vidro usando um banho de estanho fundido em qual o vidro fundido flui sem impedimentos sob a influência da gravidade. A superfície superior do vidro é submetida a nitrogênio sob pressão para obter um acabamento polido. O vidro do recipiente para garrafas e potes comuns é formado por métodos de sopro e prensagem. Este vidro é muitas vezes ligeiramente modificado quimicamente (com mais alumina e óxido de cálcio) para maior resistência à água.
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Uma vez obtida a forma desejada, o vidro geralmente é recozido para remover tensões e aumentar a dureza e durabilidade do vidro. Tratamentos de superfície, revestimentos ou laminação podem seguir para melhorar a durabilidade química (revestimentos de recipientes de vidro, tratamento interno de recipientes de vidro), resistência (vidro temperado, vidro à prova de balas, pára-brisas) ou propriedades ópticas (vidros isolados, revestimento antirreflexo).
Novas composições químicas de vidro ou novas técnicas de tratamento podem ser inicialmente investigadas em experimentos de laboratório em pequena escala. As matérias-primas para fusão de vidro em escala de laboratório geralmente são diferentes daquelas usadas na produção em massa porque o fator custo tem baixa prioridade. No laboratório são usados principalmente produtos químicos puros. Deve-se tomar cuidado para que as matérias-primas não tenham reagido com umidade ou outros produtos químicos no ambiente (como óxidos e hidróxidos de metais alcalinos ou alcalino-terrosos ou óxido de boro) ou que as impurezas sejam quantificadas (perda por ignição). As perdas por evaporação durante a fusão do vidro devem ser consideradas durante a seleção das matérias-primas, por exemplo, selenito de sódio pode ser preferível ao dióxido de selênio facilmente evaporado (SeO2). Além disso, matérias-primas que reagem mais facilmente podem ser preferidas às relativamente inertes, como hidróxido de alumínio (Al(OH)3) em vez de alumina (Al2O3 ). Normalmente, os fundidos são realizados em cadinhos de platina para reduzir a contaminação do material do cadinho. A homogeneidade do vidro é alcançada pela homogeneização da mistura de matérias-primas (lote de vidro), pela agitação do fundido e pela trituração e refundição do primeiro fundido. O vidro obtido é geralmente recozido para evitar a quebra durante o processamento.
Cor
A cor no vidro pode ser obtida pela adição de íons carregados eletricamente distribuídos homogeneamente (ou centros de cor). Enquanto o vidro soda-cal comum parece incolor em seções finas, as impurezas de óxido de ferro (II) (FeO) produzem uma tonalidade verde em seções espessas. Dióxido de manganês (MnO2), que dá ao vidro uma cor púrpura, pode ser adicionado para remover o tom verde dado pelo FeO. Os aditivos FeO e óxido de cromo(III) (Cr2O3) são usados na produção de garrafas verdes. O óxido de ferro (III), por outro lado, produz vidro amarelo ou marrom-amarelado. Baixas concentrações (0,025 a 0,1%) de óxido de cobalto (CoO) produzem vidro de cobalto azul profundo e rico. O cromo é um agente corante muito poderoso, produzindo verde escuro. O enxofre combinado com sais de carbono e ferro produz um vidro âmbar que varia do amarelado ao quase preto. Um vidro fundido também pode adquirir uma cor âmbar devido a uma atmosfera de combustão redutora. Sulfeto de cádmio produz vermelho imperial e combinado com selênio pode produzir tons de amarelo, laranja e vermelho. O aditivo óxido de Cobre(II) (CuO) produz uma cor turquesa no vidro, em contraste com o óxido de Cobre(I) (Cu2O) que dá uma cor marrom-avermelhada opaca.
O óxido de ferro (II) e os aditivos de óxido de cromo (III) são frequentemente utilizados na produção de garrafas verdes.
O óxido de cobalto produz vidro azul rico e profundo, como o vidro azul de Bristol.
Diferentes aditivos de óxido produzem as diferentes cores em vidro: turquesa (óxido de Cobre(II), púrpura (dióxido de manganês) e vermelho (sulfeto de cádmio).
Frasco de vidro vermelho com sobreposição de vidro amarelo
Vidro de cor âmbar
tigela de vidro romano de quatro cores, fabricado em torno do 1o século B.C.
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Usos
Arquitetura e janelas
O vidro de folha de cal sodada é normalmente usado como material de vidro transparente, geralmente como janelas em paredes externas de edifícios. Os produtos de vidro flutuante ou laminado são cortados no tamanho, marcando e quebrando o material, corte a laser, jatos de água ou serra de lâmina diamantada. O vidro pode ser temperado termicamente ou quimicamente (reforçado) para segurança e dobrado ou curvado durante o aquecimento. Os revestimentos de superfície podem ser adicionados para funções específicas, como resistência a arranhões, bloqueio de comprimentos de onda específicos de luz (por exemplo, infravermelho ou ultravioleta), repelência de sujeira (por exemplo, vidro autolimpante) ou revestimentos eletrocrômicos comutáveis.
Os sistemas de envidraçamento estrutural representam uma das inovações arquitetônicas mais significativas dos tempos modernos, onde os edifícios de vidro agora dominam frequentemente os horizontes de muitas cidades modernas. Esses sistemas usam acessórios de aço inoxidável rebaixados nos cantos dos painéis de vidro, permitindo que os painéis reforçados pareçam sem suporte, criando um exterior nivelado. Os sistemas de envidraçamento estrutural têm suas raízes nos conservatórios de ferro e vidro do século XIX.
Louças
O vidro é um componente essencial dos utensílios de mesa e normalmente é usado para copos de água, cerveja e vinho. Os copos de vinho são tipicamente taças, ou seja, taças formadas por uma tigela, haste e pé. O vidro de cristal ou cristal de chumbo pode ser cortado e polido para produzir copos decorativos com facetas brilhantes. Outros usos do vidro em talheres incluem decantadores, jarras, pratos e tigelas.
Vidros de vinho e outros utensílios de mesa de vidro
jarro de cerveja de vidro cozido
Vidro de cristal de chumbo cortado
Um decantador de vidro e rolha
Embalagem
A natureza inerte e impermeável do vidro o torna um material estável e amplamente utilizado para embalagens de alimentos e bebidas, como garrafas e potes de vidro. A maioria dos recipientes de vidro é vidro de cal sodada, produzido por técnicas de sopro e prensagem. O vidro do recipiente tem um teor de óxido de magnésio e óxido de sódio menor do que o vidro plano e um teor mais alto de sílica, óxido de cálcio e óxido de alumínio. Seu maior teor de óxidos insolúveis em água confere durabilidade química ligeiramente maior contra a água, o que é vantajoso para o armazenamento de bebidas e alimentos. A embalagem de vidro é sustentável, prontamente reciclada, reutilizável e recarregável.
Para aplicações eletrônicas, o vidro pode ser usado como substrato na fabricação de dispositivos passivos integrados, ressonadores acústicos de película fina e como material de vedação hermética em embalagens de dispositivos, incluindo encapsulamento muito fino de circuitos integrados e exclusivamente à base de vidro outros semicondutores em altos volumes de fabricação.
Laboratórios
O vidro é um material importante em laboratórios científicos para a fabricação de aparatos experimentais porque é relativamente barato, prontamente moldado em formas necessárias para experimentos, fácil de manter limpo, pode suportar tratamento térmico e frio, geralmente não é reativo com muitos reagentes, e sua transparência permite a observação de reações e processos químicos. As aplicações de vidraria de laboratório incluem frascos, placas de Petri, tubos de ensaio, pipetas, cilindros graduados, recipientes metálicos revestidos de vidro para processamento químico, colunas de fracionamento, tubos de vidro, linhas de Schlenk, medidores e termômetros. Embora a maioria dos artigos de vidro de laboratório padrão tenha sido produzida em massa desde a década de 1920, os cientistas ainda empregam sopradores de vidro qualificados para fabricar aparelhos de vidro sob medida para seus requisitos experimentais.
Uma coluna Vigreux em uma configuração de laboratório
Uma linha Schlenk com quatro portas
Cilindros graduados
Flask Erlenmeyer
Óptica
O vidro é um material onipresente em óptica em virtude de sua capacidade de refratar, refletir e transmitir luz. Essas e outras propriedades ópticas podem ser controladas por composições químicas variadas, tratamento térmico e técnicas de fabricação. As muitas aplicações do vidro na óptica incluem óculos para correção da visão, óptica de imagem (por exemplo, lentes e espelhos em telescópios, microscópios e câmeras), fibra óptica na tecnologia de telecomunicações e óptica integrada. Microlentes e óptica de índice de gradiente (onde o índice de refração não é uniforme) encontram aplicação em, por exemplo, leitura de discos ópticos, impressoras a laser, fotocopiadoras e diodos laser.
Arte
O vidro como arte data de pelo menos 1300 aC mostrado como um exemplo de vidro natural encontrado no peitoral de Tutancâmon, que também continha esmalte vítreo, ou seja, vidro colorido derretido usado em um suporte de metal. O vidro esmaltado, a decoração de vasos de vidro com tintas de vidro coloridas, existe desde 1300 aC e se destacou no início do século 20 com o vidro Art Nouveau e o da Casa de Fabergé em São Petersburgo, Rússia. Ambas as técnicas foram usadas em vitrais, que atingiram seu auge aproximadamente de 1000 a 1550, antes de um renascimento no século XIX.
O século XIX assistiu a um renascimento das antigas técnicas de fabricação de vidro, incluindo o vidro camafeu, obtido pela primeira vez desde o Império Romano, inicialmente principalmente para peças de estilo neoclássico. O movimento Art Nouveau fez grande uso do vidro, com René Lalique, Émile Gallé e Daum de Nancy na primeira onda francesa do movimento, produzindo vasos coloridos e peças semelhantes, muitas vezes em vidro camafeu ou em técnicas de vidro lustroso.
Louis Comfort Tiffany na América especializou-se em vitrais, tanto seculares como religiosos, em painéis e suas famosas luminárias. O início do século 20 viu a produção industrial em larga escala de arte em vidro por empresas como Waterford e Lalique. Pequenos estúdios podem produzir obras de arte em vidro à mão. As técnicas para produzir arte em vidro incluem sopro, fundição em forno, fusão, queda, pâte de verre, trabalho com chama, escultura a quente e trabalho a frio. O trabalho a frio inclui vitrais tradicionais e outros métodos de moldar o vidro à temperatura ambiente. Objetos feitos de vidro incluem vasos, pisa-papéis, bolinhas de gude, miçangas, esculturas e arte de instalação.
The Portland Vase, Roman cameo glass, cerca de 5–25 dC
Placa de esmalte de cloisonné byzantine de St Demetrios, c. 1100, usando o Segmentos ou técnica "sunk"
Émile Gallé, Vaso de vidro de marchetaria com flores de clematis (1890-1900)
Vaso de vidro por arte nouveau artista René Lalique
Clara Driscoll Lâmpada Tiffany, padrão de laburnum, c. 1910
Uma escultura de vidro de Dale Chihuly, "The Sun" na exposição "Gardens of Glass" em Kew Gardens, Londres
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