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Los vidrios tienen memoria

El descubrimiento ayudará al desarrollo de nuevas fibras ópticas de cristal fotónico


Los vidrios recuerdan su comportamiento cuando estaban en estado líquido, ha descubierto un estudio. Gracias a esta facultad, presentan superficies un 40% más lisas de lo estimado hasta ahora, lo que abre la puerta al desarrollo de nuevas fibras ópticas de cristal fotónico y mejorará la transmisión de información a través de las redes de telecomunicación.




Los vidrios no sólo son capaces de olvidar, tal como informamos en otro artículo, sino que según una nueva investigación, también recuerdan su comportamiento cuando estaban en estado líquido. Los resultados se publican en la revista Physical Review Letters.

En estado sólido, un vidrio guarda el recuerdo de la dirección en la que fluía cuando estaba en estado líquido sometido a altas temperaturas, antes de solidificarse por un rápido enfriamiento, se explica en un comunicado.

La estructura atómica de un vidrio es casi la misma que la que tuvo cuando estuvo en estado líquido. También se sabe que la superficie de un vidrio es extremadamente suave porque allí se encuentran, congeladas, las fluctuaciones pasadas de una interfaz líquida.

La aspereza asociada con estas fluctuaciones de líquido congelado es pequeña, de unas pocas fracciones de nanómetros, y posee a un valor mínimo que se corresponde con lo establecido por la termodinámica de equilibrio.

Traspasando límites

En termodinámica, se dice que un sistema se encuentra en estado de equilibrio termodinámico, si es incapaz de experimentar espontáneamente algún cambio de estado o proceso termodinámico cuando está sometido a unas determinadas condiciones del entorno. Para ello ha de encontrarse simultáneamente en equilibrio térmico, equilibrio mecánico y equilibrio químico.

Lo que ha demostrado esta investigación es que el límite establecido por el estado de equilibrio termodinámico puede ser trascendido en determinadas condiciones: interfaces de vidrio que en estado líquido estuvieron sometidas a altas presiones mecánicas para forzar su estiramiento, son hasta un 40% más lisas que el límite teóricamente previsto.

Este resultado, además del interés fundamental, encuentra una aplicación directa en el desarrollo de nuevas fibras ópticas de cristal fotónico, en las que la luz es guiada por modificaciones estructurales y no sólo por diferencias de índices refractarios.

Reducir la rugosidad de los trozos de vidrio más allá de los límites predichos permite efectivamente reducir las pérdidas (de información en el caso de las fibras ópticas) por difusión de la luz y mejorar la capacidad de transmisión de las fibras de cristal fotónico.

Esquema del principio de estiramiento de una fibra óptica de cristal fotónico con dos imágenes  del microscopio de fuerza atómica mostrando la rugosidad anisótropa antes y después de la zona de estiramiento por alta temperatura. Imagen: CNRS/ESPCI Paris.
Esquema del principio de estiramiento de una fibra óptica de cristal fotónico con dos imágenes del microscopio de fuerza atómica mostrando la rugosidad anisótropa antes y después de la zona de estiramiento por alta temperatura. Imagen: CNRS/ESPCI Paris.
Microscopio de fuerza atómica

Para llegar a este resultado, los investigadores han recurrido a la alta sensibilidad del microscopio de fuerza atómica, que es capaz de detectar fuerzas del orden del nanonewton, uno de los múltiplos del sistema internacional para la unidad física de medida conocida como newton.

Con este microscopio, pudieron medir la rugosidad de los tramos de vidrio producidos en condiciones muy alejadas del equilibrio, tanto en fibras ópticas de cristal fotónico como en capilares de vidrio de sílice (vidrio común), ambos obtenidos por el estiramiento a altas temperaturas.

Las superficies de vidrio obtenidas así son extraordinariamente lisas: su rugosidad es del orden de 0.15 nanómetros, el equivalente a una única distancia interatómica en un cristal de silicio.

Y lo más sorprendente todavía: las fluctuaciones de la superficie del vidrio así estirado se atenúan específicamente en la misma dirección del estiramiento, lo que significa que estas superficies sólidas de vidrio recuerdan la dirección en la que fueron estiradas cuando estaban en estado líquido.

Referencia

Anisotropic Superattenuation of Capillary Waves on Driven Glass Interfaces. Phys. Rev. Lett. 119, 235501. DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.119.235501 


Lunes, 18 de Diciembre 2017
Redacción T21
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