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Quarzo, quarzo fuso, vetro di quarzo, silice, silice fusa the l’elenco dei termini usati per descrivere vari materiali a base di silice è lungo, confuso e spesso frainteso. In questo articolo, diamo uno sguardo da vicino le proprietà uniche di quarzo e silice fusa (e alcuni materiali correlati), e chiarire la confusione che circonda questi termini.

Quarzo vs. Silice

La prima cosa importante da sapere su quarzo e silice fusa è che entrambi consistono principalmente dello stesso ingrediente: silice, noto anche come biossido di silicio. La silice ha la formula chimica SiO2 ed è il costituente primario della maggior parte dei tipi di vetro. La forma principale in cui si trova la silice in natura è il quarzo minerale: un materiale cristallino duro e trasparente che costituisce una frazione apprezzabile della crosta terrestre. Mentre il quarzo consiste principalmente di silice, contiene anche impurità naturali in varie proporzioni a seconda della sua origine geologica.

Quindi, la silice è un composto chimico specifico, il biossido di silicio, con la formula chimica SiO2. D’altra parte, il quarzo è un minerale cristallino naturale, che consiste principalmente di silice ma contiene alcune impurità.

Solidi cristallini e amorfi

Per comprendere appieno le differenze tra i diversi materiali a base di silice, dobbiamo prima rivedere le differenze fondamentali tra solidi cristallini e solidi amorfi.

La distinzione si riduce a come gli atomi sono disposti all’interno dei solidi. In un solido cristallino, gli atomi costituenti sono disposti in schemi regolari e ripetuti noti come reticoli cristallini. Il quarzo è un esempio di materiale cristallino a base di silice: gli atomi di silicio e ossigeno sono disposti in una struttura ordinata ben definita.

Tuttavia, in un solido amorfo, gli atomi non hanno un ordine a lungo raggio. La disposizione apparentemente casuale delle molecole in un solido amorfo assomiglia a quella di un liquido, tranne che sono fissate in posizione e non si muovono. La maggior parte dei materiali che pensiamo come “vetro” sono solidi amorfi: in effetti, qualsiasi materiale con una struttura atomica amorfa può essere descritto come”vetroso”.

Se gli atomi sono disposti in modo ordinato o orientati casualmente possono influenzare profondamente le caratteristiche di un materiale. Uno degli esempi più eclatanti è l’effetto di transizione vetrosa esibito dai solidi amorfi. Al di fuori del mondo della silice o di altri materiali a base di ossido, i metalli “vetrosi” disordinati sono spesso usati per le loro caratteristiche meccaniche insolite rispetto ai metalli convenzionali.1

I materiali a base di silice-come il quarzo – possono essere caratterizzati sia in termini di composizione chimica che se sono cristallini o amorfi.

Definizione dei materiali a base di silice

Ora che abbiamo esaminato alcuni fondamentali importanti, possiamo definire le differenze tra quarzo, silice fusa e altri materiali a base di silice.

Quarzo

Come accennato in precedenza, il quarzo è la forma principale in cui si verifica la silice in natura. Il quarzo è un solido cristallino; quindi, mentre può assomigliare al vetro sia in termini di aspetto che di composizione chimica, ha proprietà molto distinte dal vetro.

Le applicazioni industriali del quarzo (cioè il minerale cristallino) sono limitate, ma includono oscillatori a cristallo di quarzo nei sistemi elettronici – più familiarmente negli orologi da polso.

Forse in modo confuso, il” quarzo sintetico ” può essere fabbricato per applicazioni industriali al quarzo. Questo sarebbe forse meglio indicato come silice cristallina, ma è spesso indicato semplicemente come “quarzo.”

Silice fusa e quarzo fuso

Qui, la parola “fuso” si riferisce a una fase di lavorazione: la silice fusa è una silice nominalmente pura che è stata fusa e raffreddata per formare un solido vetroso e amorfo. La silice fusa assomiglia ad altri occhiali in molti modi; ma non contiene additivi. La silice fusa è un materiale speciale con una serie di applicazioni ad alte prestazioni.

I termini “silice fusa” e “quarzo fuso” sono spesso usati in modo intercambiabile. Più precisamente, “quarzo fuso” si riferisce a un solido amorfo formato dalla fusione del quarzo naturale. Quindi, mentre la silice fusa è apparentemente pura SiO2, il quarzo fuso contiene impurità a seconda del quarzo utilizzato.

Vetro di silice e vetro di quarzo

Questi termini sono tipicamente utilizzati in un senso più generico, e di solito possono essere considerati intercambiabili. Entrambi questi termini potrebbero riferirsi alla silice fusa o al quarzo fuso.

Applicazioni della silice fusa

Mentre la silice fusa è chimicamente simile al quarzo, la sua struttura amorfa gli conferisce una serie di proprietà termiche, meccaniche ed elettriche distinte e altamente desiderabili.

Gli occhiali contengono comunemente additivi come alcali, terra alcalina o altri ossidi per abbassare la temperatura di lavorazione del vetro (fusione) e migliorare le proprietà chimiche e fisiche – ma la silice fusa è molto pura. Di conseguenza, ha temperature di lavoro più elevate ma offre caratteristiche diverse dagli altri occhiali.

La silice fusa ha un coefficiente di espansione termica molto basso, il che significa che non si espande o si contrae molto quando viene riscaldata o raffreddata. Di conseguenza, la silice fusa è altamente resistente agli shock termici e può sopportare un riscaldamento o un raffreddamento molto rapidi senza fessurazioni. Le caratteristiche termiche della silice fusa lo rendono molto prezioso per componenti industriali ad alta temperatura come crogioli, vassoi e barche per la produzione di acciaio e vetro.2

La silice fusa è trasparente a uno spettro molto ampio di luce, che si estende dall’ultravioletto profondo all’infrarosso lontano. Questo lo rende un componente chiave nelle fibre ottiche, così come in una gamma di lenti, specchi e altre ottiche di trasmissione UV o IR.3,4

La silice fusa è anche estremamente chimicamente inerte e resistente alla maggior parte degli acidi (con la notevole eccezione dell’acido fluoridrico). Questa inerzia chimica presta silice fusa per applicazioni biomediche, spesso assumendo la forma di silice porosa.

La combinazione di stabilità termica, trasparenza e resistenza rende la silice fusa un forte candidato per applicazioni nuove e in via di sviluppo come substrati di fotolitografia, circuiti a microonde incisi e come strato protettivo nei dispositivi a semiconduttore.

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Riferimenti e approfondimenti

1. Metallo vetroso impostato su acciaio rivale : Nature News. https://www.nature.com/news/2011/110109/full/news.2011.4.html.
2. Vert, T. Selezione di materiali refrattari per la produzione di acciaio. (John Wiley & Figli, 2016).
3. Khalaf, A. L., Shabaneh, A. A. A. & Yaacob, M. H. Nanotubi di carbonio e applicazioni di ossido di grafene in sensori optochimici. in Sintesi, tecnologia e applicazioni dei nanomateriali di carbonio 223-246 (Elsevier, 2019). doi: 10.1016 / B978-0-12-815757-2.00010-3.
4. Wang, S., Zhou, C., Zhang ,Y. & Ru, H. Griglie di trasmissione fusa-silice ad alta densità incise in profondità con alta efficienza a una lunghezza d’onda di 1550 nm. Appl. Optare. 45, 2567 (2006).