La estructura del vidrio determinada átomo a átomo

El cristal de tu ventana realmente no es un cristal, es un vidrio compuesto de sílice (óxido de silicio). Ese mismo vidrio, algo más puro, se emplea como aislante por los fabricantes de los chips que gestionan el dispositivo que estés empleando para leer este texto. Esto podría llevarnos a creer que la estructura del vidrio de sílice es algo conocido y dominado, no habría más que ver la cantidad de elementos decorativos de formas muy elaboradas que se hacen en vidrio o la potencia de cálculo de algunos microprocesadores. Y nada más lejos de la realidad. Hasta ahora se viene tocando de oídas basándose en una teoría elaborada hace 80 años. Sólo recientemente se ha podido comprobar experimentalmente a nivel atómico esta teoría, lo que tendrá sus implicaciones para la industria de los semiconductores y la de los catalizadores.

En 1932 W.H. Zachariasen publicó The Atomic Arrangement in Glass [1], un artículo clásico que ha sido probablemente el más influyente en la historia del vidrio. En este artículo Zachariasen dio a la comprensión de la estructura del vidrio y su relación con la composición su base científica. Intuitivamente se hablaba de sólidos amorfos y, algo más tarde, se afirmaba que un vidrio era un material sólido que tenía la estructura de un líquido. La imposibilidad de aplicar la difracción de rayos X para determinar la estructura atómica llevaba a estas imprecisiones. Zachariasen, sin embargo, afirmó que un vidrio es una red tridimensional extensa de átomos que forma un sólido que carece de la periodicidad a larga distancias (una ordenación repetida) de los cristales. Pero eso no implica que no tenga orden a corto. Zachariasen llegó a proponer una reglas (pueden consultarse aquí) para la ordenación a corto que nunca se han comprobado experimentalmente pero que, en la práctica, son capaces de explicar los comportamientos macroscópicos observados.

En una serie de trabajos [2,3,4] el equipo encabezado por Leonid Lichtenstein, del Instituto Fritz Haber (Alemania) ha conseguido observar por primera vez de forma directa los elementos característicos de la estructura y los patrones que aparecen en ella. Tal y como predijo Zachariasen la estructura corresponde a un átomo de silicio rodeado por tres átomos de oxígeno, exactamente igual que en la sílice cristalina. Sin embargo, la sílice cristalina forma un panal de abeja regular compuesto exclusivamente por hexágonos en un plano, mientras que en el vidrio los anillos, si bien los hexágonos son las estructuras más frecuentes, también se forman desde rectángulos a anillos de más de nueve átomos.

Los investigadores, ante la imposibilidad de emplear difracción de rayos X, decidieron determinar la posición de los átomos uno a uno (literalmente). Para ello diseñaron un modelo bidimensional de un vidrio. Produjeron en una cámara de vacío ultra alto sólo dos capas atómicas de sílice sobre un sustrato de rutenio previamente recubierto por una capa de oxígeno. Dependiendo de la temperatura durante la preparación de la muestra y de la cantidad de sílice y oxígeno presentes los investigadores podían obtener desde una estructura completamente amorfa a otra completamente cristalina o una mezcla de las dos. En cualquier caso la estructura era completamente plana.

En primer lugar, usando un microscopio de efecto túnel Lichtenstein et al determinaron la posición de los átomos de oxígeno. Estos datos ya ponían de manifiesto las estructuras de Chachareasen. Posteriormente las estructuras fueron completamente confirmadas con un microscopio de fuerza atómica que también puede detectar los átomos de silicio. Esto es, consiguieron obtener una imagen precisa de todas las posiciones atómicas de un vidrio bidimensional.

Los investigadores también investigaron la transición entre la sílice amorfa y la cristalina. En la frontera la homogeneidad de los hexágonos de la estructura cristalina empieza a dejar paso a pentágonos y heptágonos. Conforme más se avanza en la parte amorfa más desviaciones aparecen en el número de átomos por anillo.

Estos datos no sólo permitirán conocer mejor las características de los vidrios empleados en la industria de los semiconductores, también arrojarán luz sobre el uso de la sílice y otros óxidos como catalizadores.

Esta entrada es una participación de Experientia docet en la XIX Edición del Carnaval de Química que organiza Leet mi explain

Referencias:

[1] WH Zachariasen (1932). The atomic arrangement in glass. J. Amer. Chem. Soc., 54 

[2] Lichtenstein L, Heyde M, & Freund HJ (2012). Crystalline-vitreous interface in two dimensional silica. Physical review letters, 109 (10) PMID: 23005304
[3] Lichtenstein, L., Heyde, M., & Freund, H. (2012). Atomic Arrangement in Two-Dimensional Silica: From Crystalline to Vitreous Structures The Journal of Physical Chemistry C, 116 (38), 20426-20432 DOI: 10.1021/jp3062866
[4] Lichtenstein, L., Büchner, C., Yang, B., Shaikhutdinov, S., Heyde, M., Sierka, M., Włodarczyk, R., Sauer, J., & Freund, H. (2012). The Atomic Structure of a Metal-Supported Vitreous Thin Silica Film Angewandte Chemie International Edition, 51 (2), 404-407 DOI: 10.1002/anie.201107097