Transición Vítrea para niños

La transición vítrea es un cambio especial que ocurre en algunos materiales, como los amorfos (que no tienen una forma cristalina ordenada, como el vidrio común o muchos plásticos). Imagina que tienes un material que es duro y un poco frágil, como el vidrio. Si lo calientas, no se derrite de repente como el hielo, sino que se vuelve más blando y elástico, como una goma. Este cambio gradual es la transición vítrea.

Cuando un material amorfo se enfría mucho, pasa de ser un líquido espeso a un estado duro y vítreo. Este proceso se llama vitrificación.

La temperatura de transición vítrea (se escribe T_g) es el rango de temperaturas donde ocurre este cambio. Es importante saber que la T_g siempre es más baja que la temperatura de fusión (T_m), que es cuando un material cristalino se derrite.

Algunos plásticos duros, como el poliestireno (usado en vasos desechables) o el poli(metacrilato de metilo) (conocido como Plexiglas), se usan cuando están en su estado vítreo, es decir, por debajo de su T_g. Su T_g suele estar alrededor de los 100 °C, mucho más alta que la temperatura ambiente. En cambio, los elastómeros de caucho, como los que se usan en los neumáticos, se utilizan por encima de su T_g. Esto los hace suaves y flexibles, perfectos para su uso.

Aunque las propiedades de un material cambian mucho durante la transición vítrea, no se considera un cambio de fase como cuando el agua se congela. Es un proceso que ocurre en un rango de temperaturas y depende de cómo se enfríe o caliente el material. Por ejemplo, al enfriarse, el material muestra un cambio suave en cómo se expande con el calor o en su capacidad para almacenar calor.

¿Qué es la temperatura de transición vítrea (T_g)?

La T_g es una temperatura clave para los materiales amorfos. Se puede medir de varias maneras, y aunque los resultados pueden variar un poco, siempre están muy cerca. Una forma común de definir la T_g es cuando la viscosidad (lo espeso que es un líquido) del material alcanza un valor muy alto, como 10¹² Pa·s.

Otras propiedades de los materiales, como su expansión térmica (cuánto se estiran al calentarse) o su capacidad térmica (cuánto calor pueden absorber), también cambian de forma notable en la T_g. Para que estas mediciones sean precisas, es importante especificar la velocidad a la que se calienta o enfría el material.

La forma más común de medir la T_g es usando un aparato llamado calorímetro diferencial de barrido. En este método, la muestra se enfría y luego se calienta a una velocidad constante para ver cómo absorbe o libera energía.

Polímeros y su T_g

Los polímeros son materiales formados por cadenas muy largas de moléculas, como los plásticos y las gomas. Su T_g es muy importante para saber cómo se comportarán.

El nylon-6 seco tiene una T_g de 47 °C. El nylon-6,6 seco tiene una T_g de unos 70 °C. El polietileno, que es un plástico muy común, tiene una T_g entre -130 y -80 °C. Estos valores son promedios, ya que la T_g puede cambiar un poco según la velocidad de enfriamiento o los aditivos que se le pongan al material.

Vidrios de silicatos y otros vidrios

Los silicatos son materiales que contienen sílice (SiO₂), como el vidrio de las ventanas. Su T_g está relacionada con la energía necesaria para romper y volver a formar los enlaces químicos en su estructura.

La T_g de los silicatos se ve afectada por otros elementos que se añaden. Por ejemplo, añadir boro, sodio o potasio puede reducir la T_g porque ayudan a romper la estructura de la red. En cambio, añadir fósforo puede aumentarla porque ayuda a reforzar la red.

La transición vítrea en la vida diaria

En el planchado, una tela se calienta a través de la transición vidrio-goma.

En los polímeros, la T_g es la temperatura a la que las cadenas de moléculas del polímero empiezan a moverse más libremente. Esto permite que las cadenas se deslicen unas sobre otras si se aplica una fuerza. Si se añaden grupos químicos rígidos (como anillos de benceno) a un polímero, su T_g aumenta, haciéndolo más rígido.

Un ejemplo práctico es el planchado de la ropa. Cuando planchas, calientas la tela (que está hecha de polímeros) por encima de su T_g. Esto hace que las cadenas de polímero se vuelvan móviles. El peso de la plancha las orienta de una manera específica, quitando las arrugas.

La T_g de un polímero también se puede reducir añadiendo sustancias llamadas plastificantes. Estas moléculas más pequeñas se meten entre las cadenas del polímero, creando más espacio y permitiendo que se muevan a temperaturas más bajas.

Rigidez frente a la temperatura.

Algunos materiales, como la masilla de silicona (Silly Putty), muestran un comportamiento muy interesante debido a la transición vítrea. Si la estiras lentamente, fluye como un líquido muy espeso. Pero si la golpeas con un martillo, se rompe como un vidrio. Esto se debe a que su comportamiento depende de la velocidad con la que se aplica la fuerza.

Cuando el caucho se enfría, también pasa por una transición de líquido a vidrio, que se conoce como transición de caucho a vidrio.

Galería de imágenes

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  Medida de T_g por calorimetría de barrido diferencial.

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  Determinación de T_g por dilatometría.

Véase también

En inglés: Glass transition Facts for Kids