Hace algunos años, la rotura de las pantallas de los teléfonos y otros dispositivos móviles era un accidente bastante habitual. Pero se pensó que este inconveniente tenía que poder superarse, ya que el tipo de enlaces químicos que existe en la estructura molecular de los vidrios debería otorgarles una resistencia teórica de hasta dos órdenes de magnitud superior a la que tiene en la práctica. Se observó que uno de los puntos débiles estribaba en la existencia de defectos dentro del cristal y que los golpes producían fracturas que se propagaban con facilidad. Para hacer frente a este problema se empezó a trabajar en modificar de alguna forma la química del vidrio. Así surgieron los vidrios reforzados químicamente.
Un vidrio común está formado básicamente de dióxido de silicio (sílice), y óxidos de sodio y de calcio o los correspondientes carbonatos; es lo que se llama vidrio sodocálcico. Como es sabido, los átomos de Na son más pequeños que los de K, ya que aquellos tienen una capa electrónica menos que estos. Si a ambos les quitamos un electrón, los iones Na+ siguen siendo más pequeños que los K+, pues los Na+ tienen solo dos capas electrónicas (su configuración electrónica es igual a la del Ne) y los K + tres (configuración del Ar). Cuando un vidrio común se calienta (por debajo de su punto de fusión), lógicamente se dilata. Eso hace que en el interior de la red cristalina se disponga de más espacio.
Si cuando el vidrio está dilatado se expone su superficie a iones K+ por algún procedimiento (como sumergir el vidrio en KNO3 fundido), estos iones K+ podrán entrar en el interior de la red y sustituir a iones Na+, ya que ambos elementos son alcalinos y tienen propiedades químicas parecidas. Si alcanzado el equilibrio entre los Na+ y los K+ en la superficie del vidrio se deja que esta se enfríe, muchos iones de K+ pueden quedar atrapados en el interior. En la parte superior de la figura siguiente se explica este proceso de intercambio iónico.
Como los iones K+ son demasiado grandes para la estructura cristalina natural del vidrio original, dentro de ella se genera un esfuerzo o tensión de compresión (figura d) Si se intenta flexionar una pantalla cuyas dos superficies están reforzadas, en una de ellas aumentará aún más la compresión (lo cual no es problema, pues los vidrios tienen mucha resistencia a ser comprimidos) pero en la otra entrará en juego la tracción, que es el punto débil de los vidrios. Ahora bien, esta tracción se compensará con la tensión de compresión debida al intercambio iónico.
En los últimos años se está trabajando en encontrar formulaciones de mayor resistencia. Una opción es sumergir primero el vidrio en un baño de NaNO3 fundido para que la superficie se enriquezca en iones Na+ y aumente el intercambio con los K+ de una sal fundida de este ion en la que la pieza se introduce posteriormente. Otra estrategia es conseguir que el intercambio iónico llegue a capas más profundas, ya que en los aluminosilicatos con más contenido alcalino difícilmente se alcanzan los 100 micrómetros. Cuando se añade P2O5 a algunos vidrios se ha comprobado que la profundidad de la capa de compresión y la dureza del vidrio aumentan considerablemente, siendo proporcionales estos aumentos a la concentración del óxido. A mayor concentración más se favorece la creación de aniones de silicato despolimerizados que facilitan el intercambio iónico del Na+ por K+
Fuente
D. W. Richerson. The magic of ceramics. 2ª ed. Wiley (2012).
