O vidro está em toda parte. Esteja alguém olhando pela janela ou percorrendo um smartphone, as probabilidades são de que haja uma camada de vidro entre eles e o que quer que estejam olhando.

Apesar de estar por aí há pelo menos 5, 000 anos, ainda há muito que se desconhece sobre este material, por exemplo, como certos vidros se formam e como eles alcançam certas propriedades. Uma melhor compreensão disso pode levar a inovações em tecnologia, como revestimentos sem riscos e vidro com diferentes propriedades mecânicas.

Ao longo dos últimos anos, pesquisadores da Universidade da Pensilvânia têm estudado propriedades de vidros estáveis, formas de vidro compactadas que são produzidas pelo depósito de moléculas de uma fase de vapor em um substrato frio.

"Tem havido muitas perguntas, "disse Zahra Fakhraai, um professor associado de química na Escola de Artes e Ciências da Penn, "sobre se isso é análogo ao mesmo estado amorfo de vidros naturalmente envelhecidos, como âmbar, que são formados apenas pelo resfriamento de um líquido e envelhecimento por muitos, muitos anos."

Para responder a essas perguntas, Fahkraai e Ph.D. o estudante Tianyi Liu colaborou com o professor de química Patrick Walsh, que projetou e sintetizou uma nova molécula especial que é perfeitamente redonda com uma forma esférica. De acordo com Fakhraai, essas moléculas exclusivas nunca podem se alinhar com qualquer substrato à medida que são depositadas. Por causa disso, os pesquisadores esperavam que os vidros fossem amorfos e isotrópicos, o que significa que suas partículas constituintes, sejam eles átomos, colóides ou grãos, são organizados de uma maneira que não tem um padrão ou ordem abrangente.

Surpreendentemente, os pesquisadores notaram que esses vidros estáveis ​​são birrefringentes, o que significa que o índice de refração da luz é diferente em direções paralelas e normais ao substrato, o que não seria esperado em um material redondo. Seus resultados foram publicados em Cartas de revisão física .

Com birrefringência, a luz brilhando em uma direção irá quebrar de forma diferente da luz brilhando em uma direção diferente. Este efeito é frequentemente aproveitado em telas de cristal líquido:mudar a orientação do material faz com que a luz interaja de forma diferente com ele, produzindo efeitos ópticos. Na maioria dos vidros depositados, isso é o resultado do alinhamento das moléculas em uma direção específica à medida que se condensam da fase de vapor para um estado vítreo profundo.

Os padrões de birrefringência dos vidros estáveis ​​eram estranhos, Fakhraai disse, já que os pesquisadores não esperavam nenhuma orientação dessas moléculas redondas no material.

Depois de se associar ao professor de física James Kikkawa e ao Ph.D. estudante Annemarie Exarhos, que fez experimentos de fotoluminescência para observar a orientação das moléculas, e o professor de química Joseph Subotnick, que ajudou com as simulações destinadas a olhar para a estrutura do cristal e calcular o índice de refração do cristal que lhes permitiu calcular a matemática do grau de birrefringência ou ordenação no estado amorfo, os pesquisadores confirmaram seu palpite de que não havia orientação no material.

Apesar de medir a ordem zero no vidro, os cientistas ainda viram uma quantidade de birrefringência análoga a ter até 30% das moléculas perfeitamente ordenadas. Por meio de seus experimentos, eles descobriram que isso se deve à natureza camada por camada da deposição, que permite que as moléculas se compactem mais firmemente na direção normal à superfície durante a deposição. Quanto mais denso o vidro, quanto maior o valor da birrefringência. Este processo pode ser controlado alterando a temperatura do substrato que controla o grau de densificação.

"Pudemos mostrar que este é um tipo único de ordem que surge do processo, "Fakhraai disse." Este é um novo tipo de embalagem muito original porque você não tem nenhuma orientação, mas você ainda pode manipular as distâncias moleculares em média e ainda ter um empacotamento aleatório, mas birrefringente em geral. E isso nos ensina muito sobre o processo de como você pode realmente acessar essas fases de estado inferior, mas também fornece uma maneira de projetar propriedades ópticas sem necessariamente induzir uma ordem ou estrutura no material. "

Uma vez que os estressores são distribuídos de forma diferente dentro e fora do plano, esses vidros podem ter diferentes propriedades mecânicas, que pode ser útil em revestimentos e tecnologia. Pode ser possível manipular a orientação de um vidro ou suas camadas para dar a ele certas propriedades, como revestimentos anti-riscos.

"Esperamos que, se recuássemos a superfície do vidro com algo, "Fakhraai disse, "teria uma resistência diferente em relação ao recuo na lateral. Isso poderia mudar seus padrões de fratura ou dureza ou propriedades elásticas. Acho que entender como a forma, orientação e embalagem podem afetar a mecânica desses revestimentos é um dos lugares onde aplicações interessantes podem surgir. "

De acordo com Fakhraai, uma das peças mais interessantes dessa pesquisa é o aspecto fundamental de agora podermos mostrar que pode haver fases amorfas de alta densidade. Ela espera que ela e outros pesquisadores possam aplicar seus conhecimentos do estudo desses sistemas ao que aconteceria em vidros altamente envelhecidos.

"Isso nos diz que podemos realmente fazer vidros com embalagens que seriam relevantes para vidros bem envelhecidos, "Fakhraai disse." Isso abre a possibilidade de compreender melhor, fundamentalmente, o processo pelo qual podemos fazer vidros estáveis. "