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Estresse torna vidro ainda mais resistente

Físicos descrevem o estresse residual do Gorilla Glass em termos físicos

Cortesia de Corning
Físicos estão tentando compreender como moléculas de vidro retêm esse estresse residual permanentemente.Na foto, um teste com o Gorilla Glass
Por Sophie Bushwick e Inside Science News Service

Este artigo foi publicado originalmente em Inside Science News Service

(ISNS) – Alterações no processo normal de produção de vidro, como colocar o material sob estresse, pode introduzir efeitos que persistem mesmo após o material solidificar. Enquanto produtores há muito exploram esse fenômeno para fortalecer o vidro, uma nova teoria tenta compreender porquê isso acontece.

O vidro não é tão bem compreendido quanto a maioria dos materiais, porque se situa entre líquido e sólido. Em materiais cristalinos típicos, moléculas se organizam em uma determinada estrutura em toda a extensão do material, enquanto a substância se solidifica a partir de uma forma líquida desordenada. O vidro, por outro lado, mantém uma desordem semelhante à de um líquido mesmo após solidificar.

Sem uma arquitetura determinada, essas moléculas desordenadas são particularmente vulneráveis a forças externas. Se empurrar ou puxar uma substância, você cria forças internas, ou estresse, no próprio material. Uma vez que a força é removida, espera-se que as moléculas retornem ao equilíbrio, eliminando os efeitos de  estresse. Mas materiais vítreos “se lembram” da força, mesmo após ela desaparecer.

Físicos estão tentando compreender como moléculas de vidro retêm esse estresse residual permanentemente. “As propriedades do material dependem de como o material é produzido”, explica Thomas Voigtmann, físico da Universidade de Konstanz e do Instituto de Física de Materiais no Espaço, em Koln, na Alemanha. “E esse é um tópico bastante fascinante para compreender”.

Em um artigo aceito para publicação na Physical Review Letters, Voigtmann e seus coautores descrevem o estresse residual do vidro em termos físicos, observando como o movimento de átomos individuais afeta o sistema complexo como um todo. Mas engenheiros já estão aproveitando a dependência histórica do vidro – sem precisar de física teórica.

O estresse ajuda o vidro a resistir a danos. Ao incorporá-lo ao processo de produção, engenheiros da Corning, em Nova York, podem dar super-força a materiais normalmente frágeis. Seu produto Gorilla Glass agora constitui as telas de mais de mil dispositivos diferentes, de smartphones a tablets e televisões.

Para evitar produzir falhas no material, a Corning cria grandes folhas planas de Gorilla Glass mecanicamente. Durante o processo, o vidro derretido é suspenso por sua borda superior, deixando-o intocado por mãos humanas – ou qualquer outra coisa. Apesar de sua estabilidade, essas folhas não conseguem prevenir danos futuros... ainda. O próximo passo é aplicar estresse ao vidro, comprimindo suas moléculas para fortalecer o material e permitir que ele resista a falhas.

Cortado nos tamanhos apropriados, o Gorilla Glass ainda não terminado ganha um banho em uma solução derretida de sais de potássio. Esse processo atrai pequenos íons de sódio para fora do vidro e os substitui por íons maiores, de potássio. As partículas grandes pressionam a folha de fora para dentro, comprimindo o material. Isso cria duas camadas externas pressionando para dentro, na direção de uma camada central que anula as forças internas empurrando de volta.

“Você tem um equilíbrio de estresse e tensão”, explica Marcus Haynes, engenheiro sênior de aplicações da Corning. “Há uma camada de estresse compressivo, em seguida uma camada de tensão central, onde o vidro quer empurrar para fora, e depois outra camada de estresse compressivo”.

Comprimir a superfície do vidro torna-o mais forte, capaz de resistir a impactos e riscos em vez de quebrar imediatamente.

“Mesmo se você danificar o vidro, a falha é contida dentro da camada de estresse compressivo”, elabora Haynes. “Ela não permite que a falha se expanda”. Para quebrar uma tela de Gorilla Glass, uma falha teria que penetrar a camada compressiva e atingir a camada de tensão.

Apesar de os ingredientes que compõem o Gorilla Glass também ajudarem o material a resistir a danos, o estresse é o verdadeiro segredo de suas habilidades. Ele funciona mesmo que seus criadores não compreendam seu comportamento molecular exato. Mas cientistas ainda querem saber mais.

“Estamos tentando fornecer alguma pista sobre o que faz isso funcionar e de como pode ser melhorado – esse é o objetivo de longo prazo” declara Voigtmann. “O que estamos tentando fazer é dar uma explicação de física teórica para leis empíricas”.

Para formular essa explicação, os cientistas usaram tanto física teórica quanto experimentação. Interações moleculares são particularmente difíceis de observar porque ocorrem em uma escala muito pequena. Em vez de se aproximarem do nível molecular, os pesquisadores aproveitaram um substituto do vidro: coloides. Um coloide é um tipo de substância com partículas suspensas em uma solução. A tinta por exemplo, um coloide comum, consiste de pigmentos sólidos flutuando em um líquido.

“Esses coloides agem como átomos”, explica Voigtmann. “É um sistema modelo que em muitos aspectos se comporta como vidro de janela, mas em uma escala maior: coloides são grande o bastante para serem vistos ao microscópio”.

Os pesquisadores colocaram coloides sob estresse e depois observaram seu comportamento pelo microscópio. Isso os levou a desenvolver uma teoria física que descreve porquê forças em vidro derretido permanecem presas no material.

Apesar de modelar com precisão os comportamentos que os pesquisadores observaram durante experimentos, a compreensão do vidro continua sendo um tópico “discutido com fervor”, conclui Voigtmann.