¿El vidrio es sólido o líquido? Una pregunta mucho más difícil de contestar de lo que parece

Existe una leyenda urbana que atribuye las irregularidades en los vidrios que decoran las catedrales góticas al hecho de que el vidrio no es un sólido sino un líquido extremadamente viscoso que, con el paso del tiempo acaba cayendo arrastrado por la gravedad.

Pues bien, según los expertos, esta historia es un mito. Y a la vez tiene mucho de verdad. Sí, es complicado.

Según aprendimos en la escuela, la materia puede presentarse en tres estados: sólido, líquido y gaseoso. Después aprenderíamos que el panorama es un poco más complejo, con fases algo más inusuales como el plasma, o la existencia de un “punto triple”, una combinación de temperatura y presión bajo la cual la materia puede estar en tres fases a la vez.

En un artículo en The Covnersation, Paddy Royall, docente de la Universidad de Bristol, nos explicaba hace unos años algunos detalles de este misterio y del por qué la historia de las vidrieras de las catedrales tiene algo de fundamento pese a no describir una relación real de causa efecto: las irregularidades en estas vidrieras se deben a la técnica y no al paso del tiempo.

Para Royall, la clave de la cuestión está en la transición. Para entender dónde encaja el vidrio en todo esto podemos pensar en el agua o, más concretamente, qué es lo que ocurre cuando el agua cambia de su fase líquida a su fase sólida. Cuando el agua se congela lo hace de forma más o menos repentina.

Del agua líquida surgen pequeños cristales, es decir, regiones donde las moléculas de H2O se estructuran de forma ordenada e invariable. Esta cristalización ocurre de forma rápida, como una suerte de contagio que va extendiendo hasta que el conjunto se solidifica.

En cualquier caso, el agua pasará a hacerse hielo en un proceso discreto y no continuo: pasará de líquido a sólido sin más trámites, de forma que sus moléculas pasarán del desorden al orden. El problema es que no toda la materia parece comportarse con esa inmediatez. Y el vidrio, o mejor dicho, los vidrios son el mejor ejemplo de ello.

“El problema con los materiales que forman vidrios (que incluyen plásticos, aleaciones y cerámicas, además del ‘vidrio’ cotidiano) es que no hay una transformación obvia. Al enfriarse no podemos decir el momento en el que el cristal se hace sólido”, explica en su artículo Royall.

Y esto no se debe simplemente a una cuestión de temperatura sino en la misma viscosidad. Para que un material cristalice sus átomos deben “ordenarse” y estructurarse. Según explica a LiveScience John Parker, de la Universidad de Sheffield, “[el vidrio] se enfría rápidamente, pero como es tan viscoso, los átomos no se pueden mover de forma sencilla para reagruparse en una estructura sólida más ordenada, y se quedan atrapados en formaciones desordenadas”.

“[El vidrio] es por sólido mecánicamente, pero con una estructura desordenada como la de un líquido”, añade Parker.

Algo similar explica Royall en su artículo en The Conversation. “La razón de que [la transformación] sea difícil de observar es que para hacerlo tendríamos que esperar un tiempo extraordinariamente largo (mucho más que siglos)”, señala. Sin embargo, el docente nos da algunos detalles de cómo se estructuran átomos y moléculas en este sólido que no es tal.

Explica que, si miramos con un microscopio, podremos ver cómo pequeños grupos de unas pocas decenas de moléculas actúan de forma distinta: algunas se estructuran ordenadamente, como en un sólido, mientras que las que están a su alrededor permanecen desestructuradas, como en un líquido.

Un experimento difícil

En 1927, se puso en marcha el que es considerado “el experimento más lento de la historia”. Se trata del experimento de la gota de brea, un ensayo cuyo objetivo era demostrar que esta sustancia era un líquido de enorme viscosidad.

Los responsables del experimento colocaron una cantidad de brea en un embudo, todo protegido en una campana de cristal. Bajo el embudo, otro recipiente para recoger la brea caída. Tras tres años dejando asentar la brea, los responsables del experimento abrieron la boca del embudo y dejaron a la gravedad hacer su trabajo. Diez años después cayó la primera gota.

En los 95 años desde la apertura del embudo, han caído un total de nueve gotas de brea al segundo recipiente.

Este experimento continúa activo como curiosidad y porque aún puede enseñarnos cosas. Por ejemplo, cómo las condiciones ambientales alteran la viscosidad de este tipo de líquidos. Tras la séptima gota (caída en 1988), la Universidad de Queensland instaló aire acondicionado en la facultad que aloja el experimento. El resultado: una notable ralentización de la velocidad a la que caen las gotas, es decir, un aumento en la viscosidad de este fluido.

Entonces, el vidrio es un líquido, ¿no? La cuestión permanece sin una respuesta definitiva. En palabras de John Mauro recogidas por LiveScience, el vidrio “no es ni un líquido verdadero ni un sólido verdadero: tiene propiedades de ambos pero tiene su propio estado de la materia”. “La definición técnica es que el vidrio es un estado de la materia no-equinibrado y no-cristalino que aparenta ser sólido en la escala temporal corta pero que se relaja hacia el estado líquido”, añadía Mauro, experto en ciencia de materiales de la Penn State University.

La cuestión de la escala de tiempo es importante. Las vidrieras de las catedrales del gótico tienen siglos tras de sí. La escala temporal en la que se ubica el vidrio es mucho mayor. Es por eso que sabemos que, si bien hay algo de cierto en la leyenda de estas vidrieras en realidad haría falta más tiempo para que pudiéramos observar cambios en la estructura de estos materiales. Mucho más tiempo.

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Imagen | Antoine Pouligny / Jamieson Gordon