Vidro: nem sólido nem líquido, este material comum, mas complicado, ainda surpreende os cientistas

Professor de Ciência e Engenharia de Materiais, Penn State

Doutorando em Ciência de Materiais, Penn State

Os autores não trabalham, prestam consultoria, possuem ações ou recebem financiamento de qualquer empresa ou organização que se beneficiaria com este artigo e não revelaram afiliações relevantes além de sua nomeação acadêmica.

Penn State fornece financiamento como parceira fundadora da The Conversation US.

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O vidro é um material de muitas faces: é ao mesmo tempo antigo e moderno, forte mas delicado, e capaz de adotar quase qualquer forma ou cor. Estas propriedades do vidro são a razão pela qual as pessoas o utilizam para fazer tudo, desde ecrãs de smartphones e cabos de fibra óptica até frascos que contêm vacinas.

A humanidade tem usado o vidro de alguma forma há milênios, e os pesquisadores ainda hoje encontram novos usos para ele. Não é incomum ouvir o fato frequentemente repetido de que o vidro é na verdade um líquido, não um sólido. Mas a realidade é muito mais interessante – o vidro não se enquadra perfeitamente em nenhuma dessas categorias e é, em muitos aspectos, um estado da matéria por si só. Como dois cientistas de materiais que estudam o vidro, estamos constantemente a tentar melhorar a nossa compreensão deste material único e descobrir novas formas de utilizar o vidro no futuro.

A melhor maneira de entender o vidro é entender como ele é feito.

O primeiro passo para fazer vidro requer o aquecimento de uma mistura de minerais – muitas vezes carbonato de sódio, calcário e areia de quartzo – até que derretam num líquido a cerca de 1.480 graus Celsius (2.700 graus Fahrenheit). Nesse estado, os minerais fluem livremente no líquido e se movem de forma desordenada. Se este líquido esfriar rápido o suficiente, em vez de solidificar em uma estrutura cristalina organizada como a maioria dos sólidos, a mistura solidifica enquanto mantém a estrutura desordenada. É a estrutura atomicamente desordenada que define o vidro.

Em escalas de tempo curtas, o vidro se comporta como um sólido. Mas a estrutura líquida do vidro significa que durante um período de tempo suficientemente longo, o vidro passa por um processo chamado relaxamento. O relaxamento é um processo contínuo, mas extremamente lento, onde os átomos de um pedaço de vidro se reorganizam lentamente em uma estrutura mais estável. Ao longo de mil milhões de anos, um pedaço típico de vidro mudará de forma em menos de 1 nanómetro – cerca de 1/70.000 do diâmetro de um cabelo humano. Devido à lenta taxa de mudança, o mito de que as janelas antigas são mais grossas na parte inferior devido a séculos de gravidade puxando o vidro que flui lentamente não é verdade.

Coloquialmente, a palavra vidro geralmente se refere a uma substância dura, quebradiça e transparente feita de areia fundida, soda e cal. No entanto, existem muitos tipos de vidro que não são transparentes, e o vidro pode ser feito a partir de qualquer combinação de elementos, desde que a mistura líquida possa ser resfriada com rapidez suficiente para evitar a cristalização.

Os humanos usam vidro há mais de 4.000 anos, sendo alguns dos primeiros usos para contas de vidro decorativas e pontas de flechas. Os arqueólogos também descobriram evidências de oficinas de vidro com 2.000 anos de idade. Uma dessas oficinas antigas foi descoberta perto de Haifa, no Israel moderno, e remonta a cerca de 350 dC. Lá, os arqueólogos descobriram pedaços de vidro bruto, fornos de fusão de vidro, recipientes utilitários de vidro e detritos de sopro de vidro.

A fabricação moderna de vidro começou no início do século 20 com o desenvolvimento de técnicas de produção em massa de garrafas de vidro e folhas de vidro planas. O vidro tornou-se uma parte essencial da indústria electrónica e de telecomunicações na última parte do século XX e constitui agora a espinha dorsal da Internet.

Hoje, os cientistas estão muito além de simplesmente usar o vidro como material para uma xícara ou espelho. Na vanguarda da pesquisa em vidro está a capacidade de manipular sua complexa estrutura atômica e processo de relaxamento para alcançar certas propriedades.

Como o vidro é atomicamente desordenado e está sempre em mudança, é provável que quaisquer dois pontos em um pedaço de vidro tenham propriedades ligeiramente diferentes – seja resistência, cor, condutividade ou qualquer outra coisa. Devido a essas diferenças, duas peças de vidro semelhantes, feitas da mesma maneira e com os mesmos materiais, podem se comportar de maneira muito diferente.