El vidrio es uno de los materiales más antiguos que ha usado la humanidad; se han encontrado algunos restos de él que datan de hace 5 mil años creados por humanos de la Edad de Bronce. Desde entonces es omnipresente en la vida cotidiana, en diversos sectores de alta tecnología y en productos industriales de diversos campos como las telecomunicaciones, la medicina, la construcción, óptica, electrónica y química.
Se usan como objetos cotidianos en hogares, oficinas, laboratorios de investigación y en prácticamente cualquier parte, con una gran variedad de productos e instrumentos como botellas, lentes, vasos, ventanas y espejos. Tiene características de gran interés como su transparencia óptica, excelente resistencia mecánica, química y térmica, así como aislante de energías eléctrica y térmica.
Es un material inorgánico duro y a la vez frágil; transparente, pero puede colorearse; amorfo aunque se le puede moldear fácilmente. Se obtiene de la mezcla de arena o sílice (SiO2), carbonato de sodio (Na2CO3) y piedra caliza (CaCO3) materiales que deben ser fundidos a temperaturas superiores a los mil 500 grados celsius (C).
A pesar de ser uno de los materiales más antiguos y utilizados por el ser humano la tecnología utilizada para fabricar el vidrio se ha mantenido prácticamente inalterable durante siglos. Su procesamiento se basa en la fusión, el esmerilado o el grabado, se requiere mucha energía, es técnicamente exigente, y las formas que se pueden obtener son limitadas, ya que luego de fundirse se convierte en láminas en un proceso llamado de vidrio flotado o se hacen objetos curvos con la técnica de soplado.
Cuando se buscan vidrios de alta pureza como el vidrio de sílice fundido y en objetos más pequeños como lentes de microcámaras y dispositivos de microfluidos, el procedimiento es más complicado ya que se requiere la fundición de los compuestos a mayor temperatura (hasta 2000 grados C) y también se emplean químicos peligrosos como ácidos. Este proceso es caro, lento y el vidrio no se puede moldear fácilmente.
A pesar de ser uno de los materiales más antiguos y utilizados por el ser humano la tecnología utilizada para fabricar el vidrio se ha mantenido prácticamente inalterable durante siglos.
Impresión 3D de vidrio
Pero ahora esta forma de fabricar el vidrio podría tener un cambio radical con un nuevo sistema llamado micro-CAL (litografía axial computarizada a microescala) desarrollado por un equipo de científicos estadounidenses y alemanes encabezado por Joseph Toombs, de la Universidad de California, en Berkeley.
Esta nueva tecnología permite imprimir objetos de vidrio en tercera dimensión (3D) más fácilmente, más rápido y en casi cualquier forma y tamaño, incluso a microescala. Sin embargo, este tipo de “impresora 3D” es más compleja que aquellas que cada vez son más comunes y que imprimen objetos de plástico capa por capa.
Los investigadores utilizaron una nueva técnica de impresión en 3D fotopolimérica llamada “fabricación aditiva” (VAM, por sus siglas en inglés) que ellos mismos desarrollaron y que llamaron “litografía axial computarizada” o CAL (que publicaron en la revista Science en 2019 https://www.science.org/doi/10.1126/science.aau7114) y posteriormente utilizaron un sistema de moldeo por inyección de sílice fundido.
“A través de la ingeniería óptica y fotopolímero especializado, hemos desarrollado un marco de fabricación que fusiona el fácil procesamiento de nanocompuestos de sílice con VAM, sin capas, y que podría hacer avanzar la investigación y la aplicación industrial de mecánica de metamateriales, microfluidos 3D y óptica de forma libre”, señalan los investigadores en el artículo publicado en la revista Science de esta semana.
Así obtuvieron estructuras de sílice fundida de solo 150 micras o micrómetros (una micra es una milésima de milímetro) con excelente libertad geométrica, baja rugosidad superficial, alta resistencia a la fractura y transparencia óptica. Asimismo, imprimieron complejos objetos de vidrio en tan solo unos segundos.
En el equipo de científicos participan Bastian E. Rapp, de la Universidad de Friburgo, Alemania; Hayden Taylor, de la Universidad de California, en Berkeley; y Caitlyn Cook, del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore, entre otros. Utilizaron un nanocompuesto de fotopolímero y sílice que es una resina que contiene las nanopartículas de vidrio rodeadas de un líquido aglutinante sensible a la luz.
Este material es utilizado por la impresora VAM que proyecta las imágenes digitales de las piezas y que solidifican el aglutinante de nanocompuesto, luego los investigadores calientan el objeto impreso para eliminar la resina y fusionar las partículas de sílice para formar el objeto sólido de vidrio puro.
Objetos formados con luz
La impresión 3D fotopolimérica o CAL, es un nuevo tipo de impresión que funciona con un patrón de luz y que en solo pocos segundos produce un objeto entero. Utiliza un proyector de imágenes digitales sobre un material polimérico fotosensible –como un gel–, en un contenedor cilíndrico transparente giratorio. Los fotones de luz enviados por el proyector computarizado entran desde diferentes ángulos en el gel, hasta conformar la figura tridimensional.
En los lugares donde se cruzan los fotones y coinciden las imágenes se combina la energía de los fotones y esto hace que el gel se solidifique. En aquellos lugares donde la luz no se cruza el material fotosensible queda inalterable.
Las imágenes proyectadas son bidimensionales, pero se inciden desde distintos ángulos lo que da como resultado dosis de energía suficiente para solidificar el material en la forma tridimensional deseada. Así se forman los objetos completos: con la simple proyección de las imágenes, algo parecido al replicador de la serie de ciencia ficción Star Trek.
En las tecnologías de impresión 3D convencionales los objetos se construyen al solidificar polímeros o polvos en láminas construidas capa sobre capa, lo cual demora varios minutos o incluso horas, para formar una estructura completa. En cambio, con la tecnología CAL se crean rápidamente los objetos completos sin necesidad de capas, en unos cuantos segundos, con formas más complejas y prácticamente de cualquier tamaño.
Para sintetizar las piezas finas de vidrio los investigadores crearon un aglutinante con nanopartículas de sílice que tiene un índice de refracción prácticamente idéntico al del vidrio, por lo que la luz no se dispersó al atravesar el material. Así se formaron los objetos con el gel y el sílice, pero al calentarlo a mil 300 grados las nanopartículas de sílice se fusionan formando el vidrio 100% puro y las partículas del gel se eliminan.
Los investigadores crearon componentes de vidrio ópticos, formas de celosía, entramados, y estructuras tridimensionales de microfluidos de pocos milímetros y micrómetros. Con formas precisas, muy resistentes y altamente transparentes en tan solo cinco segundos por pieza.
Los investigadores crearon componentes de vidrio ópticos, formas de celosía, entramados, y estructuras tridimensionales de microfluidos de pocos milímetros y micrómetros. Con formas precisas, muy resistentes y altamente transparentes en tan solo cinco segundos por pieza.
Impacto ecológico
Debido al grado de dificultad para producir pequeñas piezas de vidrio fundido muchos sectores industriales y tecnológicos utilizan polímeros, a pesar de que sus propiedades físicas, ópticas, químicas y térmicas son inferiores a las del vidrio. Pero es más barato de fabricar, consume menos energía y se puede producir a gran escala.
Como resultado es el uso excesivo de los plásticos que son materiales no biodegradables y altamente contaminantes. La nueva impresora 3D de vidrio permitirá procesar de manera rápida y rentable piezas de vidrio que reemplazarán los polímeros.
Los componentes moldeados con microCAL se convierten en vidrio de cuarzo puro. Este proceso requiere menos energía que la fusión del vidrio convencional, lo que resulta en eficiencia energética. Los componentes de vidrio formados tienen una superficie de alta calidad, por lo que no se requieren pasos de tratamiento posterior como el pulido.
Los objetos que se pueden crear tienen una amplio campo de aplicaciones, desde informática, telecomunicaciones, óptica y tecnología solar, hasta pequeños componentes de vidrio de alta tecnología con geometrías complicadas pasando por sensores y óptica que puede funcionar de manera confiable a cualquier temperatura.
El vidrio continuará siendo un material imprescindible en la vida moderna y con este avance se podrá aplicar en muchos campos hasta ahora dominados por el plástico, lo que traerá beneficios tecnológicos y económicos, pero también ecológicos.
