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Cuarzo, cuarzo fundido, vidrio de cuarzo, sílice, sílice fundida the la lista de términos utilizados para describir varios materiales a base de sílice es larga, confusa y a menudo mal entendida. En este artículo, analizamos de cerca las propiedades únicas del cuarzo y la sílice fundida (y algunos materiales relacionados), y aclaramos la confusión que rodea a estos términos.

Cuarzo vs Sílice

Lo primero que debe saber sobre el cuarzo y la sílice fundida es que ambos consisten principalmente en el mismo ingrediente: sílice, también conocida como dióxido de silicio. La sílice tiene la fórmula química SiO2 y es el componente primario de la mayoría de los tipos de vidrio. La forma principal en la que se encuentra la sílice en la naturaleza es el cuarzo mineral: un material cristalino duro y transparente que constituye una fracción apreciable de la corteza terrestre. Mientras que el cuarzo consiste principalmente en sílice, también contiene impurezas naturales en varias proporciones dependiendo de su origen geológico.

Por lo tanto, la sílice es un compuesto químico específico, dióxido de silicio, con la fórmula química SiO2. Por otro lado, el cuarzo es un mineral cristalino de origen natural, que consiste principalmente en sílice, pero contiene algunas impurezas.

Sólidos cristalinos y amorfos

Para comprender completamente las diferencias entre los diferentes materiales a base de sílice, primero debemos revisar las diferencias fundamentales entre los sólidos cristalinos y los sólidos amorfos.

La distinción se reduce a cómo los átomos están dispuestos dentro de los sólidos. En un sólido cristalino, los átomos constituyentes están dispuestos en patrones regulares y repetitivos conocidos como redes de cristal. El cuarzo es un ejemplo de un material cristalino a base de sílice: los átomos de silicio y oxígeno están dispuestos en una estructura ordenada bien definida.

Sin embargo, en un sólido amorfo, los átomos no tienen un orden de largo alcance. La disposición aparentemente aleatoria de moléculas en un sólido amorfo se asemeja a la de un líquido, excepto que están fijas en su lugar y no se mueven. La mayoría de los materiales que consideramos como “vidrio” son sólidos amorfos: de hecho, cualquier material con una estructura atómica amorfa se puede describir como”vítreo”.

El hecho de que los átomos estén ordenados de manera ordenada u orientados aleatoriamente puede influir profundamente en las características de un material. Uno de los ejemplos más llamativos es el efecto de transición vítrea exhibido por los sólidos amorfos. Fuera del mundo de la sílice u otros materiales a base de óxido, los metales “vidriosos” desordenados se utilizan a menudo por sus características mecánicas inusuales en comparación con los metales convencionales.1

Los materiales a base de sílice, como el cuarzo, se pueden caracterizar tanto en términos de su composición química como de si son cristalinos o amorfos.

Definición de materiales a base de sílice

Ahora que hemos revisado algunos fundamentos importantes, podemos definir las diferencias entre el cuarzo, la sílice fundida y otros materiales a base de sílice.

Cuarzo

Como se mencionó anteriormente, el cuarzo es la forma principal en la que se produce sílice en la naturaleza. El cuarzo es un sólido cristalino; por lo tanto, si bien puede parecerse al vidrio tanto en términos de su apariencia como de su composición química, tiene propiedades muy distintas del vidrio.

Las aplicaciones industriales del cuarzo (es decir, el mineral cristalino) son limitadas, pero incluyen osciladores de cristal de cuarzo en sistemas electrónicos, principalmente en relojes de pulsera.

Quizás confusamente, el “cuarzo sintético” se puede fabricar para aplicaciones de cuarzo industrial. Esto podría ser mejor conocido como sílice cristalina, pero a menudo se conoce simplemente como “cuarzo”.”

Sílice fundida y cuarzo fundidos

Aquí, la palabra “fundido” se refiere a una etapa de procesamiento: la sílice fundida es sílice nominalmente pura que se ha fundido y enfriado para formar un sólido amorfo vítreo. La sílice fundida se asemeja a otros vidrios en muchos aspectos, pero no contiene aditivos. La sílice fundida es un material especial con una serie de aplicaciones de alto rendimiento.

Los términos “sílice fundida” y “cuarzo fundido” se usan a menudo indistintamente. Más exactamente, “cuarzo fundido” se refiere a un sólido amorfo formado por la fusión de cuarzo natural. Por lo tanto, mientras que la sílice fundida es ostensiblemente pura SiO2, el cuarzo fundido contiene impurezas dependiendo del cuarzo que se utilizó.

Vidrio de sílice y Vidrio de cuarzo

Estos términos se usan típicamente en un sentido más genérico, y generalmente se pueden considerar intercambiables. Ambos términos podrían referirse a sílice fundida o cuarzo fundido.

Aplicaciones de sílice fundida

Mientras que la sílice fundida es químicamente similar al cuarzo, su estructura amorfa le da una serie de propiedades térmicas, mecánicas y eléctricas distintas y altamente deseables.

Los vidrios comúnmente contienen aditivos como álcalis, alcalinotérreos u otros óxidos para reducir la temperatura de procesamiento (fusión) del vidrio y mejorar las propiedades químicas y físicas, pero la sílice fundida es muy pura. En consecuencia, tiene temperaturas de trabajo más altas, pero ofrece características diferentes de otras gafas.

La sílice fundida tiene un coeficiente de expansión térmica muy bajo, lo que significa que no se expande ni se contrae mucho cuando se calienta o enfría. Como resultado, la sílice fundida es altamente resistente al choque térmico y puede soportar un calentamiento o enfriamiento muy rápido sin agrietarse. Las características térmicas de la sílice fundida la hacen muy valiosa para componentes industriales de alta temperatura, como crisoles, bandejas y barcos para la fabricación de acero y vidrio.2

La sílice fundida es transparente a un espectro de luz muy amplio, que se extiende desde el ultravioleta profundo al infrarrojo lejano. Esto lo convierte en un componente clave en las fibras ópticas, así como en una gama de lentes, espejos y otras ópticas transmisoras de UV o IR.3,4

La sílice fundida también es extremadamente inerte químicamente y resistente a la mayoría de los ácidos (con la notable excepción del ácido fluorhídrico). Esta inercia química presta sílice fundida a aplicaciones biomédicas, a menudo en forma de sílice porosa.

La combinación de estabilidad térmica, transparencia y resistencia hace que la sílice fundida sea un candidato fuerte para aplicaciones nuevas y en desarrollo, como sustratos de fotolitografía, circuitos de microondas grabados al agua fuerte y como capa protectora en dispositivos semiconductores.

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Referencias y lecturas adicionales

1. Conjunto de metal vítreo para rivalizar con el acero: Noticias de la Naturaleza. https://www.nature.com/news/2011/110109/full/news.2011.4.html.
2. Vert, T. Selección de materiales Refractarios para la fabricación de acero. (John Wiley & Sons, 2016).
3. Khalaf, A. L., Shabaneh, A. A. A. & Yaacob, M. H. Nanotubos de Carbono y Aplicaciones de Óxido de Grafeno en Sensores Optoquímicos. en Síntesis, Tecnología y Aplicaciones de Nanomateriales de Carbono 223-246 (Elsevier, 2019). doi:10.1016 / B978-0-12-815757-2.00010-3.
4. Wang, S., Zhou, C., Zhang, Y. & Ru, H. Rejillas de transmisión de sílice fundida de alta densidad grabadas en profundidad con alta eficiencia a una longitud de onda de 1550 nm. Appl. Optar. 45, 2567 (2006).