El vidrio más resistente a los impactos podría transformar el mercado

El vidrio más resistente a los impactos podría representar un importante avance para la seguridad, la electrónica, la construcción y otros sectores. Un equipo dirigido por investigadores de la Universidad de Tohoku ha presentado un estudio sobre los movimientos atómicos que ayudan al vidrio a resistir las fracturas. Estos conocimientos podrían orientar el desarrollo de materiales más duraderos. A continuación examinamos la investigación y sus posibles aplicaciones.

Cómo se rompe el vidrio

Para entender la importancia de esta investigación, conviene conocer cómo se rompe el vidrio convencional. Una causa habitual es el impacto: un objeto duro o que se mueve rápidamente golpea el vidrio y lo fractura por sus zonas más débiles. Es también una de las situaciones más peligrosas, porque los fragmentos afilados pueden salir despedidos.

Tensiones térmicas

Otra causa son las diferencias de temperatura. El vidrio debe fabricarse para soportar las condiciones térmicas de su aplicación. De lo contrario, un calor extremo puede ablandarlo o fundirlo, como podría suceder durante la reentrada de una nave espacial en la atmósfera.

La acumulación de residuos en la superficie también puede provocar un calentamiento desigual. Si solo una parte se calienta o enfría intensamente, las tensiones resultantes pueden deformar el vidrio y terminar fracturándolo.

Flexión

Las roturas por flexión y torsión son especialmente relevantes en la construcción. Los diseñadores deben tener en cuenta cómo se mueve un edificio con el viento y con los cambios de temperatura. Una ventana mal instalada o diseñada puede romperse cuando la estructura se retuerce durante una tormenta intensa o un terremoto.

Proceso interno de fabricación

También pueden producirse roturas por defectos de fabricación. Cada tipo de vidrio requiere una composición y un proceso adecuados. Una mezcla incorrecta puede generar tensiones internas que debiliten el material en determinadas condiciones.

Estos factores deben considerarse en materiales complejos, como los vidrios laminados y templados. En algunos casos, la composición química puede debilitar una zona concreta, incluso sin una fuerza externa inmediata, y el problema puede manifestarse bajo tensiones térmicas.

Los diferentes vidrios se rompen de manera distinta

Los investigadores llevan mucho tiempo reconociendo la importancia de diseñar vidrio capaz de soportar el entorno para el que se fabrica. Por eso existen numerosos tipos adaptados a distintas funciones.

Vidrio recocido

El vidrio recocido es habitual y tiene una larga historia. Al romperse, forma fragmentos grandes, afilados e irregulares. Su uso ha disminuido en aplicaciones que cuentan con alternativas más seguras, aunque sigue siendo sencillo y barato de fabricar y se produce ampliamente.

Vidrio templado

El vidrio templado recibe un tratamiento que hace que, al romperse, se fragmente en piezas más pequeñas. Se considera más seguro que el vidrio convencional, cuyos fragmentos grandes pueden causar heridas graves. Las piezas pequeñas reducen el riesgo de cortes profundos.

Vidrio laminado

El vidrio laminado combina varias capas de vidrio con una lámina fina y transparente de plástico entre ellas. Si el vidrio se rompe, el plástico mantiene unidos los fragmentos y evita que grandes piezas salgan despedidas hacia el interior de un vehículo o una habitación.

Una nueva comprensión del vidrio

Durante siglos se han buscado maneras de mejorar la durabilidad del vidrio y reducir los daños de su rotura. Muchos avances se han basado en la química y la ciencia de materiales. Este estudio examina su comportamiento a una escala atómica más profunda.

Los investigadores querían comprender qué sucede cuando cambia la disposición de los átomos del vidrio. Para ello necesitaban instrumentos capaces de seguir movimientos en intervalos de nanosegundos, una capacidad que antes era difícil de obtener.

Un estudio hacia un vidrio más resistente

El artículo de investigación¹, publicado en la revista Acta Materialia, estudia el proceso de relajación de Johari–Goldstein (JG) a escala atómica. Este concepto permite describir determinados movimientos y cambios en los materiales vítreos bajo distintas condiciones.

El equipo combinó este marco teórico con un modelo informático y mediciones atómicas para comprender cómo se relajan las tensiones del vidrio. Examinó tanto los saltos de los átomos a nuevas posiciones como los movimientos colectivos de los átomos circundantes.

Fuente: Makina Saito

Los movimientos de los átomos circundantes pueden acomodar los cambios locales y aliviar parte de la tensión del material. El equipo detectó estos movimientos en un modelo de vidrio iónico con unidades casi esféricas, Ca0.4K0.6(NO3).

Modelado del movimiento atómico

Las simulaciones informáticas permitieron ampliar la investigación a distintos factores. El equipo pudo modificar parámetros como la flexión, la temperatura y la fuerza de impacto. Los resultados aportaron información sobre cómo responde el vidrio a las tensiones.

Medición de los movimientos atómicos

El equipo utilizó interferometría de rayos X en el dominio temporal para observar los movimientos atómicos. Este método permitió medirlos en intervalos de nanosegundos y registrar datos de experimentos con radiación de sincrotrón.

Simulaciones informáticas

Las simulaciones fueron una parte importante del trabajo. Los datos de los experimentos con radiación se utilizaron para construir una simulación de dinámica molecular (MD). Esto permitió ampliar las pruebas y contener los costes de la investigación.

Resultados del estudio

El estudio identificó movimientos de muchas partículas a escala de ángstroms y en intervalos de nanosegundos. Comprender los saltos atómicos y los movimientos colectivos podría ayudar a diseñar materiales más resistentes. En el futuro, estos datos podrían orientar mejoras en las zonas sometidas a flexión y reducir las roturas repentinas.

Posibles beneficios del vidrio más resistente

La investigación ofrece posibles ventajas para la industria del vidrio. Materiales más duraderos podrían mejorar la seguridad de las ventanillas de vehículos, estaciones de vigilancia, herramientas y dispositivos electrónicos.

También podría contribuir al diseño de vidrios que se fracturen siguiendo patrones controlados. En aplicaciones donde sea necesario liberar tensión a cierta presión, una rotura prevista podría reducir la dispersión peligrosa de fragmentos. La idea recuerda a las líneas por las que se parte una galleta.

Este principio ya se utiliza en otros materiales de construcción. Por ejemplo, las juntas de una acera ayudan a controlar dónde aparecen las grietas cuando el movimiento del terreno genera tensiones en el hormigón. Así, los ingenieros pueden orientar la rotura en lugar de dejarla al azar. Un enfoque semejante podría mejorar la seguridad de las estructuras de vidrio.

Posibles nuevas normas de seguridad

Otro posible beneficio es orientar nuevas normas de seguridad. El vidrio templado y el laminado ya han mejorado la protección de millones de personas. Las directrices para diseñar vidrios con mayor resistencia al impacto podrían elevar los requisitos de seguridad en numerosos sectores y ayudar a fabricar mejores productos.

Equipo de investigación

El estudio fue dirigido por Makina Saito y un equipo de la Universidad de Tohoku. También participaron la Universidad de Kioto, la Universidad de Shimane, el Instituto Nacional de Ciencia de Materiales y el Instituto de Investigación de Radiación de Sincrotrón de Japón. Los investigadores buscan seguir avanzando hacia vidrios más resistentes.

Aplicaciones

Un vidrio más resistente a los impactos tendría numerosas aplicaciones. Podría, por ejemplo, aumentar la durabilidad de los dispositivos electrónicos. Cualquiera que haya dejado caer un teléfono y roto su pantalla puede apreciar la utilidad potencial de esta mejora.

Construcción

La construcción también podría beneficiarse. Un vidrio más resistente ayudaría a diseñar edificios capaces de afrontar huracanes y tornados. Los materiales adecuados para vientos fuertes y temperaturas extremas ampliarían las opciones disponibles para los constructores.

Militar

Otra aplicación posible sería mejorar el vidrio resistente a las balas. Los conflictos actuales subrayan la necesidad de proteger al personal sin impedirle ver su entorno. La investigación podría contribuir a materiales capaces de soportar impactos que hoy resultarían peligrosos.

Empresas que podrían beneficiarse de la investigación

Muchos fabricantes, desde los de automóviles hasta los de electrónica, podrían beneficiarse de un vidrio más duradero. Este material es esencial en numerosos dispositivos. Por tanto, resultan valiosos los métodos que mejoran su resistencia, reducen el coste de fabricación o amplían sus capacidades. A continuación presentamos una empresa que podría aprovechar estos avances.

Corning Inc.

Corning Inc. (GLW ) es uno de los principales fabricantes de vidrio protector y tecnologías relacionadas. Es la empresa detrás de Gorilla Glass y se especializa en óptica avanzada, vidrio para pantallas y comunicaciones ópticas.

Corning es una empresa veterana del sector y cuenta con una amplia red de socios, inversores e investigadores. Recientemente anunció una colaboración estratégica con AT&T (T ), que amplía su acuerdo de compras plurianual.

Corning lleva décadas colaborando con empresas líderes para resolver necesidades complejas. Es reconocida por su trabajo en óptica avanzada y por su actividad como fabricante e investigador de vidrio.

El artículo señala varias razones para estudiar GLW como inversión. Entre ellas figuran las adquisiciones de SpiderCloud en 2017, STRAN Technologies en 2016 y Allied Fiber Optic Products en 2016, que ampliaron las capacidades y la base de clientes de la empresa.

Futuro

El vidrio más resistente abre posibilidades para mejorar la seguridad en la aviación, el transporte, la óptica, la electrónica y los edificios. También podrían explorarse aplicaciones más ambiciosas, desde estructuras transparentes para vehículos submarinos hasta componentes de naves espaciales sometidos a temperaturas extremas. Estas posibilidades requieren investigación adicional.

El posible impacto de un vidrio más resistente

Un vidrio más duradero podría impulsar avances importantes en numerosos sectores. Los nuevos métodos y modelos del equipo ayudan a comprender cómo responde el material a las tensiones. Aplicar estos conocimientos para reducir las fracturas podría dar lugar a productos más seguros en el futuro.

Descubra otros avances actuales en ciencia de materiales.

Referencia del estudio:

^{1. Saito, M., Araki, T., Onodera, Y., Ohara, K., Seto, M., Yoda, Y., & Wakabayashi, Y. (2025; publicación en línea en 2024). Discovery of collective nonjumping motions leading to Johari–Goldstein process of stress relaxation in model ionic glass. Acta Materialia, 284, 120536. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2024.120536}