SCHOTT solutions n° 1/2009 > Investigación y desarrollo

Las futuras generaciones de vidrio para láser soportarán los mayores esfuerzos a que los someten los láseres de pulsos de alta potencia. Foto: Lawrence Livermore National Laboratory

Viaje al futuro del vidrio


¿Qué posibles avances se darán en los próximos 20 años en el campo del vidrio y los materiales afines?


Thilo Horvatitsch

Probablemente, pocas veces se habrán podido reunir en SCHOTT, Maguncia, tantos conocimientos en ciencias del vidrio como con ocasión de la entrega del 10º Premio Otto Schott a la Investigación, en noviembre de 2008. Doce galardonados con el premio en anteriores ediciones se encontraron por primera vez en este evento y lo convirtieron en un viaje al futuro de sus respectivas especialidades. Un futuro que se edifica sobre un amplio legado, porque el material vidrio se conoce desde hace miles de años. Este material transparente, con sus numerosas propiedades distintas, ha alcanzado aplicaciones de alta tecnología, como la litografía de estructuras de microchip.

Sin embargo, quien piense que la época de los pioneros ya ha pasado quedará bastante sorprendido. En algunos sentidos el vidrio sigue siendo tierra vírgen, con un amplio potencial para futuras sorpresas, lo que se desprende de las ponencias presentadas durante el simposio de dos días, celebrado con ocasión de la entrega de la 10ª edición del premio. Los científicos acudieron con el encargo de dibujar escenarios futuros y mapas de carreteras tecnológicos hasta el año 2025, integrados en 3 clusters: “Aplicaciones ópticas y fotónicas”, “Estructuras y características de los materiales vítreos” y “Aplicaciones químicas y térmicas”.
Gracias a sus microestructuras, las fibras de vidrio fotónicas – mostradas aquí en una sección muy ampliada – presentan propiedades ópticas excelentes y abren numerosas posibilidades de aplicación. Foto: Fraunhofer IOF

El súper-vidrio del mañana

Se trata de que el vidrio del futuro prosiga su desarrollo en cuanto a solidez, resistencia mecánica y térmica y transparencia, características que le permitirán satisfacer todavía mejor las crecientes exigencias impuestas a los módulos solares fotovoltaicos o en la arquitectura. Pero más revolucionaria es todavía la “carrera” del vidrio como novedoso material especializado. Se requieren aquí cualidades como una aptitud excelente para el texturizado, propiedades dieléctricas especiales, p.ej. para sistemas micro-electromecánicos (MEMS), o funciones ópticas tales como la prevención de reflexiones de luz, siguiendo el modelo del ojo de la polilla. También resulta interesante el vidrio como material óptico activo. El vidrio ha encabezado la lista de candidatos de los científicos como medio activo para láseres: el Dr. John Campbell, del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), en California (EE.UU.) explicó que todos los sistemas de láser de pulsos de alta potencia (High Peak Power/HPP) actuales, se basan en el empleo de vidrios para láser especiales. La luz del láser de 1,8 MJ del LLNL se obtiene mediante una serie de vidrios de fosfato, dopados con neodimio e incide sobre un objetivo diminuto, relleno con hidrógeno pesado. Allí un pulso de láser puede llevar a ignición en unas pocas mil millonésimas de segundo, un plasma de fusión que está a una temperatura de muchos millones de grados. Las próximas generaciones de láser se centran ahora en los vidrios perfeccionados, así como en las cerámicas policristalinas, que resisten los esfuerzos térmicos y ópticos derivados de los láseres HPP mejorados, porque éstos han de trabajar en el rango de los MJ para una frecuencia de 10 Hz y ser operativos más que sólo un par de veces al día. El Dpto. de Desarrollo de SCHOTT, proveedor de vidrios de LLNL desde hace décadas, también se dedica a este tema.

El Prof. Dr. Andreas Tünnermann, de la Universidad Friedrich Schiller de Jena, habló sobre las fibras de vidrio fotónicas de propiedades ópticas significativamente mejoradas, p.ej. para modernos láseres de fibra óptica de altas prestaciones. A diferencia de las fibras ópticas clásicas, sus propiedades no se basan en materiales base con distintos dopajes, sino en la microestructura singular de las fibras, cuya cubierta está atravesada por minúsculos canales longitudinales. Esto, no sólo posibilita el perfeccionamiento de láseres de fibra óptica, sino que las fibras fotónicas abren muchos otros campos de aplicación: rellenando estos canales con gases, se pueden utilizar p.ej. como sensores o multiplicadores de frecuencias en las telecomunicaciones.

El Prof. Hideo Hosono, del Tokyo Institute of Technology, amplió el campo de visión a otros materiales no cristalinos. Sus semiconductores amorfos transparentes (transparent amorphous oxide semiconductors = TAOS), hechos de óxido de zinc-indio-galio, han de permitir una producción más económica de transistores de película fina (TFT). Estos componentes electrónicos flexibles y transparentes son adecuados para displays transparentes, p.ej. en los parabrisas de vehículos, y prometen mayores densidades de transistores y frecuencias de conmutación, que los módulos equiparables basados en semiconductores transparentes convencionales.

En la entrega del 10º Premio Otto Schott a la Investigación participaron también muchos antiguos premiados (de Izda. a Dcha.): Fila delantera: Prof. Don Uhlmann (Consejero del Fondo Ernst Abbe), Prof. Himanshu Jain, Dr. Hans-Joachim Konz (Miembro del Consejo de Dirección de SCHOTT), Prof. Akio Ikesue (Ganador del año 2008), Prof. Walter Kob, Prof. Gerd Müller (Consejero del Fondo Ernst Abbe). Fila central: Dr. Dieter Fuchs, Dra. Natalia Veshcheva, Phd. David Griscom, Prof. Jianrong Qiu, Prof. Prabhat Gupta. Fila trasera: Prof. Reinhard Conradt, Prof. Andreas Tünnermann, Dr. John Campbell, Anne-Jans Faber. Foto: SCHOTT/A. Sell

Mas ciencia básica

Crear materiales con nuevas funcionalidades, requiere una comprensión más profunda de la relación entre la composición de los materiales vítreos y su estructura (atómica). Aquí siguen vías muy prometedoras, la Dra. Natalia Vedishcheva, del Institute of Silicate Chemistry de San Petersburgo (Rusia), y el Prof. Reinhard Conradt, de RWTH Aachen (Alemania), con sus planteamientos para la comprensión de la estructura química del vidrio, y el Prof. Walter Kob, de la Universidad de Montpellier, (Francia), con la simulación por ordenador de los vidrios.

Los modelos de simulación matemática ofrecen también posibilidades para comprender, mejorar y perfeccionar los procesos de fusión. Anne-Jans Faber, de TNO Science & Industry, en Eindhoven (Holanda), mostró vías para modelizar diseños de hornos, caracterizar la calidad de fusión del vidrio y medir con sensores. Asimismo se debatieron las posibilidades de reutilización del calor liberado durante el proceso de producción, con vistas al ahorro energético – algo que, como compromiso ecológico básico, también es un tema de futuro importante.

Tras el denso programa de los 2 días del evento, el Dr. Hans-Joachim Konz, miembro del Consejo de Dirección de SCHOTT, moderador del simposio, hizo un balance extraordinariamente positivo: “Sería deseable una continuidad para este fructífero intercambio entre investigadores externos y SCHOTT”, señaló el Presidente del Consejo Asesor del Fondo Ernst Abbe, que ayudó a financiar las jornadas. <|
Con ocasión de la entrega del 10º Premio a la Investigación Otto Schott se reunieron en la sede alemana del Consorcio SCHOTT, en Maguncia, investigadores del vidrio de prestigio y renombre. El simposio que acompañaba a la entrega ofreció ponencias especializadas de alto nivel y una mirada prometedora sobre los vidrios y materiales del mañana. Fotos: SCHOTT/A. Sell
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