Vitrificación

Vitrificación (del latín vitrum 'vidrio', vía francés vitrificador) es la transformación total o parcial de una sustancia en un vidrio, es decir, un sólido amorfo no cristalino. Los vidrios se diferencian estructuralmente de los líquidos y poseen un mayor grado de conectividad con la misma dimensionalidad de enlaces de Hausdorff que los cristales: dim_H = 3. En la producción de cerámica, la vitrificación es responsable de su impermeabilidad al agua.

La vitrificación generalmente se logra calentando los materiales hasta que se licuan y luego enfriando el líquido, a menudo rápidamente, para que pase a través de la transición vítrea para formar un sólido vítreo. Ciertas reacciones químicas también dan como resultado gafas.

En términos de química, la vitrificación es característica de materiales amorfos o sistemas desordenados y ocurre cuando la unión entre partículas elementales (átomos, moléculas, formando bloques) supera un determinado valor umbral. Las fluctuaciones térmicas rompen los enlaces; por lo tanto, a menor temperatura, mayor grado de conectividad. Por eso, los materiales amorfos tienen un umbral de temperatura característico denominado temperatura de transición vítrea (T_g): por debajo de T_g los materiales amorfos son vítreos mientras que por encima de T_g están fundidos.

Las aplicaciones más comunes son en la fabricación de cerámica, vidrio y algunos tipos de alimentos, pero hay muchas otras, como la vitrificación de un líquido similar a un anticongelante en la crioconservación.

En un sentido diferente de la palabra, la incrustación de material dentro de una matriz vítrea también se denomina vitrificación. Una aplicación importante es la vitrificación de residuos radiactivos para obtener una sustancia que se considera más segura y estable para su eliminación.

One study suggests during the eruption of Mount Vesuvius in 79 AD, a victim 's brain was vitrified by the extreme heat of the volcanic ash; however, this has been strenuously disputed.

Cerámica

La vitrificación es la fusión parcial progresiva de una arcilla, o de un cuerpo, como resultado de un proceso de cocción. A medida que avanza la vitrificación, la proporción de unión vítrea aumenta y la porosidad aparente del producto cocido se reduce progresivamente. Los cuerpos vítreos tienen porosidad abierta y pueden ser opacos o translúcidos. En este contexto, "porosidad cero" puede definirse como menos del 1% de absorción de agua. Sin embargo, varios procedimientos estándar definen las condiciones de absorción de agua. Un ejemplo es el de ASTM, que afirma "El término vítreo generalmente significa una absorción de menos del 0,5 %, excepto para pisos y revestimientos cerámicos y aisladores eléctricos de bajo voltaje, que se consideran vítreos hasta un 3 % de absorción de agua."

La cerámica se puede impermeabilizar al agua mediante vidriado o vitrificación. La porcelana, la porcelana china y los sanitarios son ejemplos de cerámica vitrificada y son impermeables incluso sin esmalte. El gres puede ser vitrificado o semivitrificado; este último tipo no sería impermeable sin vidriado.

Aplicaciones

Cuando la sacarosa se enfría lentamente, da como resultado azúcar cristalina (o caramelo de roca), pero cuando se enfría rápidamente, puede formar algodón de azúcar almibarado (algodón).

La vitrificación también puede ocurrir en un líquido como el agua, generalmente mediante un enfriamiento muy rápido o la introducción de agentes que suprimen la formación de cristales de hielo. Esto contrasta con la congelación ordinaria que da como resultado la formación de cristales de hielo. La vitrificación se utiliza en microscopía crioelectrónica para enfriar muestras tan rápidamente que se pueden obtener imágenes con un microscopio electrónico sin dañarlas. En 2017, se otorgó el premio Nobel de química por el desarrollo de esta tecnología, que se puede utilizar para obtener imágenes de objetos como proteínas o partículas de virus.

El vidrio sodocálcico común, que se usa en ventanas y recipientes para beber, se crea mediante la adición de carbonato de sodio y cal (óxido de calcio) al dióxido de silicio. Sin estos aditivos, el dióxido de silicio requeriría una temperatura muy alta para obtener una masa fundida y, posteriormente (con un enfriamiento lento), un vidrio.

La vitrificación se utiliza en la eliminación y almacenamiento a largo plazo de desechos nucleares u otros desechos peligrosos en un método llamado geofusión. Los desechos se mezclan con productos químicos para la formación de vidrio en un horno para formar vidrio fundido que luego se solidifica en botes, inmovilizando así los desechos. La forma de desecho final se asemeja a la obsidiana y es un material duradero que no se filtra y atrapa efectivamente los desechos en su interior. En general, se supone que tales desechos pueden almacenarse durante períodos relativamente largos en esta forma sin preocuparse por la contaminación del aire o de las aguas subterráneas. La vitrificación a granel utiliza electrodos para derretir la tierra y los desechos donde yacen enterrados. Los desechos endurecidos pueden luego ser desenterrados con menos peligro de contaminación generalizada. Según los Laboratorios Nacionales del Noroeste del Pacífico, "la vitrificación bloquea los materiales peligrosos en una forma de vidrio estable que durará miles de años".

Vitrificación en criopreservación

La vitrificación en la crioconservación se utiliza para conservar, por ejemplo, óvulos humanos (ovocitos) (en la crioconservación de ovocitos) y embriones (en la crioconservación de embriones). Previene la formación de cristales de hielo y es un proceso muy rápido: -23.000°C/min.

Actualmente, las técnicas de vitrificación solo se han aplicado en el cerebro (neurovitrificación) por Alcor y en la parte superior del cuerpo por el Cryonics Institute, pero ambas organizaciones están investigando para aplicar la vitrificación en todo el cuerpo.

Muchas plantas leñosas que viven en las regiones polares vitrifican sus células de forma natural para sobrevivir al frío. Algunos pueden sobrevivir a la inmersión en nitrógeno líquido y helio líquido. La vitrificación también se puede utilizar para preservar especies de plantas en peligro de extinción y sus semillas. Por ejemplo, las semillas recalcitrantes se consideran difíciles de conservar. La solución de vitrificación de plantas (PVS), una de las aplicaciones de vitrificación, ha conservado con éxito las semillas de Nymphaea caerulea.

Los aditivos utilizados en criobiología o producidos naturalmente por organismos que viven en regiones polares se denominan crioprotectores.

Literatura

• Steven Ashle (junio de 2002). "Divide y Vitrify" (PDF). Scientific American. 286 (6): 17–19. Bibcode:2002SciAm.286f..17A. doi:10.1038/cientificamerican0602-17. Retrieved 10 de mayo, 2015.
• Stefan Lovgren, "Corpses Frozen for Future Rebirth by Arizona Company", marzo de 2005, National Geographic