mini|300px|Fotografía infrarroja de una placa vitrocerámica de Ceran, un material transparente a la luz infrarroja
Las vitrocerámicas son un tipo de materiales policristalinos, que se producen mediante la cristalización controlada de un vidrio base, lo que genera una dispersión fina y uniforme de cristales por todo el compuesto. La cristalización se logra sometiendo vidrios adecuados a un proceso de tratamiento térmico cuidadosamente regulado, lo que da como resultado la nucleación y el crecimiento de las fases cristalinas. En muchos casos, el proceso de cristalización puede llegar casi a su finalización, pero en una pequeña proporción de los casos, a menudo permanece la fase vítrea residual.Doremus, R. (1994). Glass Science (2nd ed.).
Los materiales vitrocerámicos comparten muchas propiedades tanto con los vidrios como con las cerámicas. Poseen una fase amorfa y una o varias fases cristalinas, y se producen mediante la denominada cristalización controlada, a diferencia de la cristalización espontánea, un fenómeno que normalmente no es deseable en la fabricación de vidrio. Las vitrocerámicas tienen las ventajas de fabricación del vidrio, así como las propiedades especiales de la cerámica. Cuando se utilizan para sellar, algunos tipos de vitrocerámicas no requieren soldadura fuerte, pero pueden soportar temperaturas de soldadura de hasta 700 °C.
Suelen tener entre el 30% [m/m] y el 90% [m/m] de estructura cristalina, y permiten obtener una gran variedad de materiales con propiedades interesantes, como porosidad cero, alta resistencia, tenacidad, transparencia (u opacidad), posibilidad de pigmentación, opalescencia, dilatación térmica baja o incluso negativa, estabilidad a altas temperaturas, fluorescencia, mecanizado, ferromagnetismo, reabsorbibilidad o alta durabilidad química, biocompatibilidad, actividad biológica, conductividad iónica, superconductividad, capacidades de aislamiento, constante dieléctrica baja, resistencia a la corrosión, y alta resistividad y elevado voltaje de ruptura.McMillan, P. W. (1979). Glass-Ceramics (2nd ed.). Academic Press. Estas propiedades se pueden adaptar controlando la composición del vidrio base y mediante su tratamiento térmico/cristalización controlados. En la fabricación, las vitrocerámicas se valoran por tener la resistencia de la cerámica pero las propiedades de sellado hermético del vidrio.
Se produce principalmente en dos pasos: en primer lugar, se forma el vidrio mediante un proceso de fabricación propio del vidrio, y a continuación se enfría. En segundo lugar, el vidrio se somete a un proceso de tratamiento térmico controlado, con el que el vidrio cristaliza parcialmente. En la mayoría de los casos, se añaden a la composición base de la vitrocerámica agentes de nucleación, que contribuyen al proceso de cristalización y lo controlan. Como normalmente no se produce prensado ni sinterización, la vitrocerámica, a diferencia de las cerámicas sinterizadas, no tiene poros.
Existe una amplia variedad de sistemas vitrocerámicos, por ejemplo, el sistema Li2O × Al2O3 × nSiO2 (sistema LAS), el sistema MgO × Al2O3 × nSiO2 (sistema MAS) y el sistema ZnO × Sistema Al2O3 × nSiO2 (sistema ZAS).
Historia mini|Espejo primario segmentado en hexágonos del telescopio Keck II del observatorio W. M. Keck. El espejo está hecho de Zerodur, una vitrocerámica desarrollada por Schott AG
El químico francés René Antoine Ferchault de Réaumur (1683-1757) hizo los primeros intentos de producir materiales policristalinos a partir de vidrio, demostrando que si las botellas de vidrio se envolvían en una mezcla de arena y yeso, y se sometían a calor al rojo durante varios días, se volvían opacas y parecidas a la porcelana. Aunque Réaumur logró convertir el vidrio en un material policristalino, no logró controlar el proceso de cristalización, que es un paso clave en la producción de materiales vitrocerámicos verdaderamente útiles, con las propiedades mejoradas mencionadas anteriormente.
El descubrimiento de la vitrocerámica se atribuye a un hombre llamado Donald Stookey, un renombrado científico del vidrio que trabajó en Corning Inc. durante 47 años. El primer resultado surgió de un compuesto de base vítrea, el Fotoform, que también fue descubierto por Stookey mientras buscaba un material capaz de poderse fotograbar para ser utilizado en las pantallas de televisión. Poco después de hallar el Fotoform, se descubrió el primer material cerámico cuando Stookey sobrecalentó una placa Fotoform en un horno a 900 grados centígrados y obtuvo una placa opaca de color blanco lechoso dentro del horno, en lugar del desorden fundido que se esperaba. Mientras examinaba el nuevo material, que acertadamente denominó Fotoceram, notó que era mucho más fuerte que el Fotoform con el que fue creado, ya que sobrevivió a una caída accidental sobre el suelo de hormigón.
A finales de la década de 1950, Stookey desarrollaría dos materiales vitrocerámicos más, uno encontró uso en la nariz del radomo de los misiles, mientras que el otro condujo a la línea de utensilios de cocina de consumo conocida como CorningWare. Los ejecutivos de la compañía Corning Inc. anunciaron el descubrimiento por parte de Stookey de este último "nuevo material básico" llamado Pyroceram, que se promocionaba como liviano, duradero, capaz de ser un aislante eléctrico y, sin embargo, resistente a los cambios bruscos de temperatura. En ese momento, solo había unos pocos materiales que ofrecían la combinación específica de características que ofrecía el Pyroceram, y el material se lanzó como la línea de utensilios de cocina CorningWare el 7 de agosto de 1958.
Parte del éxito del Pyroceram llevó a Corning a buscar procesos para reducir la fragilidad del vidrio, lo que se convirtió en una iniciativa a cargo del director técnico de Corning conocida como Proyecto Músculo. Un material vitrocerámico ultrafuerte menos conocido desarrollado en 1962, llamado Chemcor (ahora conocido como Gorilla Glass) fue producido por el equipo de investigación en vidrio de Corning, gracias a los trabajos acometidos en el Proyecto Músculo. El Chemcor incluso se utilizaría para innovar la línea de productos Pyroceram, ya que en 1961 Corning lanzó Centura Ware, un nueva línea de Pyroceram que fue revestida con un laminado de vidrio (inventada por John MacDowell) y tratada con el proceso Chemcor. Stookey continuó avanzando en el descubrimiento de las propiedades de la cerámica de vidrio, cuando en 1966 halló la manera de que el material fuera transparente. Finalmente, por temor a canibalizar las ventas de Pyrex, Corning no lanzaría productos con esta innovación hasta finales de la década de 1970, con el nombre de Visions.
Nucleación y crecimiento de cristales La clave para diseñar un material vitrocerámico es controlar la nucleación y el crecimiento de cristales en el vidrio base. La cantidad de cristalinidad variará dependiendo de la cantidad de núcleos presentes y del tiempo y la temperatura a los que se calienta el material. Es importante comprender los tipos de nucleación que ocurren en el material, ya sea homogénea o heterogénea.
La nucleación homogénea es un proceso resultante de la inestabilidad termodinámica inherente de un material vítreo. Cuando se aplica suficiente energía térmica al sistema, la fase vítrea metastable comienza a regresar al estado cristalino de menor energía. El término "homogéneo" se utiliza aquí porque la formación de núcleos proviene del vidrio base sin segundas fases o superficies que promuevan su formación.
La tasa de nucleación homogénea en un sistema condensado se puede describir con la siguiente ecuación, propuesta por Becker en 1938:
Aquí, Q es la energía de activación para la difusión a través del límite de fase, A es una constante y es la energía de activación máxima para la formación de un núcleo estable, como indica la siguiente ecuación:
en la que es el cambio de energía libre por unidad de volumen resultante de la transformación de una fase a la otra, y puede equipararse a la tensión interfacial.
Nucleación heterogénea es un término utilizado cuando se introduce un agente nucleante en el sistema para ayudar y controlar el proceso de cristalización. La presencia de este agente nucleante, en forma de fase o superficie adicional, puede actuar como catalizador de la nucleación y es particularmente eficaz si hay epitaxia entre el núcleo y el sustrato. Hay varios metales que pueden actuar como agentes nucleantes en el vidrio porque pueden existir en el vidrio en forma de dispersión de partículas de dimensiones coloidales. Ejemplos conocidos incluyen el cobre, la plata metálica y el platino. Stookey sugirió en 1959 que la eficacia de los catalizadores de nucleación metálicos se relaciona con las similitudes entre las estructuras cristalinas de los metales y la fase que se nuclea.
La característica más importante de la nucleación heterogénea es que se minimiza la tensión interfacial entre la heterogeneidad y la fase nucleada. Esto significa que la influencia que tiene la superficie catalizadora sobre la velocidad de nucleación está determinada por el ángulo de contacto en la interfaz. Basándose en este hecho, Turnbull y Vonnegut (1952) modificaron la ecuación de la tasa de nucleación homogénea para dar una expresión para la tasa de nucleación heterogénea:
Si se incluye la energía de activación para la difusión, como sugirió Stokey (1959a), la ecuación queda entonces como:
A partir de estas ecuaciones, la nucleación heterogénea se puede describir en términos de los mismos parámetros que la nucleación homogénea con un factor de forma, que es función de θ (el ángulo de contacto). El término viene dado por:
si el núcleo tiene forma de casquete esférico.
Además de la nucleación, también se requiere el crecimiento de cristales para la formación de vitrocerámicas. El proceso de crecimiento de los cristales es de considerable importancia a la hora de determinar la morfología del material compuesto vitrocerámico producido. El crecimiento de los cristales depende principalmente de dos factores. En primer lugar, depende de la velocidad a la que la estructura desordenada puede reorganizarse en una red periódica con un orden de mayor alcance. En segundo lugar, depende de la velocidad a la que se libera energía en la transformación de fase (esencialmente, la velocidad de enfriamiento en la interfaz).
Materiales vitrocerámicos en aplicaciones médicas thumb|Imagen obtenida con un microscopio electrónico de barrido de dos osteoblastos (células formadoras de hueso), colonizando cristales de monetita
Las vitrocerámicas se utilizan en aplicaciones médicas debido a su interacción única, o falta de ella, con el tejido del cuerpo humano. Las biocerámicas generalmente se clasifican en los siguientes grupos según su biocompatibilidad: biopasivas (bioinertes), bioactivas o cerámicas reabsorbibles.
Las cerámicas biopasivas (bioinertes) se caracterizan, como su nombre indica, por la interacción limitada que tiene el material con el tejido biológico circundante. Históricamente, estos fueron los biomateriales de "primera generación" utilizados como reemplazo de tejidos faltantes o dañados. Un problema resultante del uso de biomateriales inertes fue la reacción del cuerpo al objeto extraño; Se descubrió que se produciría un fenómeno conocido como "encapsulación fibrosa", en el que crecerían tejidos alrededor del implante en un intento de aislar el objeto del resto del cuerpo. Esto ocasionalmente causó una variedad de problemas como necrosis o secuestro del implante. Dos materiales bioinertes comúnmente utilizados son la alúmina (Al2O3) y el circonio (ZrO2).