Los rayos X crea una ventana en la formación de cristal

– En primer lugar la visualización de cómo cada vez se convierte en polvo de vidrio fundido podría conducir a la fabricación verde a temperaturas más bajas.

Los científicos han por primera vez visualizó la transformación de mezclas de polvos en vidrio fundido. Una mejor comprensión de este proceso hará que sea posible producir vidrio de alta calidad a bajas temperaturas, lo que lleva a un ahorro significativo de energía en la fabricación de vidrio industrial.Los resultados se publican en línea en el Journal of the American Ceramic Society .

El equipo de científicos fue dirigido por Emmanuelle Gouillart de la unidad de investigación conjunta entre el CNRS y Saint-Gobain, un fabricante de vidrio mundial, e incluyó a científicos de las universidades de Toulouse y Grenoble, Saclay INRIA y el Fondo Europeo de Radiación Sincrotrón (ESRF) en Grenoble .

El vidrio es uno de los más antiguos materiales artificiales, cuyo uso se extendió durante las antiguas culturas egipcias y romanas. Un material amorfo no cristalino, se produce por la fusión de mezclas de polvos cristalinos calentados a altas temperaturas. Estos ingredientes son arena de cuarzo (sílice, SiO 2 ), sodio y carbonatos de calcio (Na 2 CO 3 , CaCO 3 ), y menores aditivos más específicos.

En las fundiciones industriales, la mezcla de polvo se calienta a aproximadamente 1500 ° C y se mantuvo a esta temperatura elevada durante muchos días para eliminar las burbujas y los granos sin fundir. Esto consume una gran cantidad de energía y uno de los retos actuales de la industria es la obtención de vidrio de buena calidad a temperaturas más bajas. Por ejemplo, el consumo de la industria del vidrio mundial de la energía (86,5 TWh en 2005) se compara con la producción total de electricidad de los Países Bajos (108 TWh en 2008).

Un grano individual de sílice normalmente se funde a temperaturas muy altas (1700 ° C). Adición de carbonatos provoca reacciones químicas que reducen la temperatura. Sin embargo, la interacción entre la geometría de los granos y la velocidad de las reacciones químicas durante las primeras etapas de la fusión que comienza ya muy por debajo de 1000 ° C, se han mantenido un misterio hasta la fecha.

Los científicos se propusieron comprender qué es exactamente lo que sucede en las diferentes etapas de la transformación a partir de polvo de vidrio fundido. Para su experimento, utilizaron mezclas de materias primas similares a las de fabricación de vidrio ventana industrial: dos tercios de arena de sílice y un tercio de los carbonatos de sodio y calcio.

Para hacer visibles las reacciones químicas entre los granos individuales, los científicos utilizaron microtomografía de rayos X, una técnica que permite visualizar en tiempo real los cambios en la forma y las posiciones de todos los granos en un volumen dado. Estos cambios son probados por un haz fino, intenso de los rayos X enviados a través de la muestra. Al igual que una en tres dimensiones «cuadro por cuadro» Secuencia – pequeñas variaciones de la transmisión intensidad de rayos X se registran cuando los granos de arena y carbonato de empezar a reaccionar químicamente, cambiando sus formas y transformarse en vidrio fundido. » En el ESRF, podemos tomar una imagen de microtomografía con una resolución espacial de 1,6 micrómetros cada pocos segundos. Observando los cambios rápidos, con una alta resolución espacial en el interior de un horno a cabo en cerca de 1000 ° C es imposible sin los rayos X «, dice Marco Di Michiel de la ESRF.

Las secuencias de imágenes microtomografía confirmó la importancia de un buen contacto entre granos de diferentes sustancias, como lo es estos contactos que determinan si la mezcla se convierte en cristal líquido. Por ejemplo, un grano de carbonato de calcio o bien puede incorporarse en el líquido amorfo altamente reactivo o permanecer un defecto cristalino, dependiendo de la presencia o ausencia de dichos contactos.Los investigadores se sorprendieron por la alta reactividad de carbonato de sodio, cuando todavía sólido: los granos se mueven justo antes de la fusión se inicia lo que aumenta el número de contactos con otros granos y facilita las reacciones.

Mediante la combinación de cientos de imágenes de rayos X de tomografía, los científicos produjeron una secuencia de video visualización de cómo diferentes granos en la mezcla de movimiento y el fusible, uno tras otro, en el vidrio fundido a medida que la temperatura aumentó de 750 ° C a 930 ° C. » He estado trabajando en estos procesos durante muchos años, y fue absolutamente fascinante ver como en una película lo que sucede en el inicio de la transición de polvo / de vidrio «, dice Emmanuelle Gouillart.

Ahora, los científicos desean variar los tamaños de los granos y la forma en que la rampa encima de la temperatura. A largo plazo, estos estudios fundamentales nos dirán cómo reducir el número de defectos producidos en el inicio del proceso de formación del vidrio, y ayudar a encontrar más rápido y menos procesos que consumen energía de fabricación. » También queremos hacer de rayos X métodos de imagen y análisis de datos una herramienta de visualización de rutina para reactivos mezclas granulares. Estos no sólo son utilizados en la fabricación de vidrio, sino también de otros materiales, y veo un enorme potencial industrial para la optimización de estos procesos «, concluye Emmanuelle Gouillart.

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