Gorilla Glass: la ciencia explica sus secretos
Por Kenneth Fowler Berenguer
Créeme cuando te digo que la mayoría llevamos un gorila con nosotros todos los días. No te asustes, estoy hablando del Corning Gorilla Glass, un tipo de vidrio que se encuentra ya no solo en las pantallas, si no también protegiendo a muchos de nuestros dispositivos electrónicos de uso diario como teléfonos celulares, tabletas y laptops.
Las grandes prestaciones de estos materiales, especialmente en equipos modernos y de alta gama, pueden tentarnos a imaginar que trabajan por arte de magia. Pero sabemos que no es así, por lo tanto, vamos a ver qué secretos esconde este material.
¿De qué está hecho?
Independientemente de la composición, los vidrios están generalmente formados por una red de sílice (SiO2, arena) que se organiza en tetrahedros conectados entre sí. Además, se le añaden otros óxidos como los de sodio y calcio para “cortar” esa conexión hasta cierto punto, disminuir la temperatura de fusión de la sílice e imprimirle características específicas.
Las proporciones de los distintos componentes están en estrecha relación con sus propiedades. Corning tiene protegidas las distintas composiciones de sus vidrios bajo la patente US9714192B2, renovada en el 2014 y válida hasta el 2034. En ella se expresa que los vidrios son en general boroaluminosilicatos, o sea, que contienen, además de la sílice (alrededor del 50 por ciento de la composición), alúmina (óxido de aluminio, Al2O3) de un 9 a un 22 por ciento y óxido de boro (B2O3) de tres a diez por ciento como formadores del “esqueleto” del vidrio.
Otros óxidos secundarios presentes son el de sodio, de 14 a 20 por ciento, potasio hasta el uno por ciento y una combinación de los óxidos de zinc y magnesio que no suman más del 0,1 por ciento . Las proporciones han variado de generación en generación, de las cuales la más actual es la sexta, y obviamente también existen secretos que protegen como las joyas de la corona.
Los vidrios comunes de ventanas y parabrisas contienen solo los óxidos de silicio, sodio y calcio, mientras que el vidrio Pyrex (el usado en la cristalería de un laboratorio químico por ejemplo) es en esencia un borosilicato.
¿Es tan nuevo como parece?
El que haya seguido de cerca la evolución de los dispositivos móviles, puede pensar que el Gorilla Glass fue introducido por Apple con su primer iPhone, sin embargo, esto no es del todo cierto.
En el año 2006, cuando Steve Jobs se proponía dar el salto a la producción de teléfonos celulares, se acercó a Corning con su deseo de desarrollar una pantalla que pudiera cubrir todo el dispositivo. Esto era un concepto nuevo en la industria electrónica y además Jobs estaba pidiendo un panel ultrafino (quería alrededor de 1,3 mm de espesor) y ultrafuerte.
Lo de ultrafuerte no representaba un problema. Corning había desarrollado en la década de los sesenta un prototipo de vidrio de gran resistencia al que le llamó Chemcor. Pretendían usarlo para las ventanillas de las cabinas telefónicas, cabinas de visitas en las prisiones y hasta para hacer parabrisas de autos de carrera.
No obstante, el material no fue enteramente apreciado en su momento y el proyecto fue engavetado en 1971. Para la compañía, el reclamo de Apple fue la señal que necesitaban para desempolvar el viejo Chemcor. Lo de ultrafino sí fue un reto, Corning hasta el momento producía paneles de alrededor de 4 mm de espesor. Tomaron prestada una tecnología de la producción de pantallas para televisores, rubro al que se dedicaba la empresa en ese momento, y la adaptaron en solo seis semanas para cumplir las demandas del cliente. Y el resto es historia. Así que hoy tocamos lo que fue un sueño de los sesenta.
Es duro y flexible.
Una parte fundamental del proceso de manufactura del Gorilla Glass es la aplicación de un baño caliente de una sal fundida de potasio (generalmente el nitrato) a su superficie.
Lo que esto hace es que los iones potasio de la sal se intercambien con los iones sodio en el esqueleto del vidrio. El potasio es más voluminoso que el sodio, por lo que se crea una capa de stress en la superficie de alrededor de 100 micrómetros (0,0001 mm).
Imagínense remplazar pelotas de béisbol por balones de fútbol. Contrario a lo que el nombre pudiera indicar, esta capa ofrece mayor protección contra las fracturas. Ahora bien, si esta capa logra ser penetrada las grietas se propagan a una velocidad de 2000 m/s (7200 km/h) y el vidrio se romperá de manera explosiva (sí, incluso se han observado chispas en las pruebas).
En comparación, el Gorilla Glass tiene una mayor dureza (6,22 Mohs, escala de dureza en la cual se le da el valor de 10 al diamante) que el vidrio convencional (5,48 Mohs) y el Pyrex (4,06 Mohs).
Un estudio midió su dureza usando el Ensayo Universal de Dureza de Vickers, en el cual se somete el material a una fuerza (en este caso de 5 kg) por parte de una aguja y se evalúa su capacidad de resistir la penetración; y se obtuvo un valor de 6,03 GPa, el mayor en comparación con otros vidrios convencionales.
También es flexible: puede doblarse hasta 12,26˚ antes de quebrarse al ser sujeto a una fuerza de 7 N, como fue demostrado en un estudio por investigadores de la Universidad Estatal de Wayne en Detroit.
Ayuda a resolver crímenes.
La presencia de fragmentos de vidrio en las ropas de un acusado puede convertirse en una evidencia probatoria en un juicio por crímenes como robo, agresión, daño a la propiedad y los relacionados a accidentes de tráfico.
La información sobre qué teléfono que usamos (apoyada por otra evidencia) pudiera servir para distinguir a una persona entre un grupo. No obstante, para que los forenses puedan sacar sus conclusiones, se debe poder diferenciar entre un fragmento proveniente de un dispositivo electrónico y uno que provenga de otro objeto como vasos o ventanas.
En 2015, investigadores de la Universidad de Flinders en Australia reportaron la comparación del vidrio de las pantallas de 61 celulares distintos con patrones en las bases de datos para vidrios convencionales (http://dx.doi.org/10.1016/j.forsciint.2015.10.023). Observaron que el Gorilla Glass presentaba un índice de refracción (medida de cuánto se reduce la velocidad de un haz luminoso al pasar por un medio en comparación con el vacío) significativamente menor al de los patrones seleccionados.
Además, de manera interesante, los fabricantes han disminuido progresivamente los índices de refracción de las pantallas con el paso de los años, siendo diferenciables las pantallas de las distintas generaciones de dispositivos.
Otra diferencia está en la composición de los vidrios, que varía apreciablemente entre los que se usan para teléfonos celulares y los convencionales. Estos resultados demostraron que, además de poder diferenciar fragmentos de vidrios de distintas fuentes, fue posible discernir entre las diversas marcas y modelos que fueron estudiadas.
Se compararon las muestras por pares en todas las combinaciones posibles y, usando solamente el índice de refracción, fue posible diferenciarlos en el 93 por ciento de los casos, llegando al 99 por ciento cuando se utilizó también el análisis de la composición.
Pudiera salvarte la vida.
Durante un desastre nuclear, ya sea por terrorismo o por algún accidente industrial, los hospitales pueden quedar desbordados muy rápidamente ante la repentina llegada de grandes cantidades de damnificados.
Estos últimos habrán estado sometidos a diversos niveles de radiación, que es importante determinar para poder realizar el triage hospitalario con fluidez, aplicar los tratamientos correspondientes, y tomar decisiones logísticas bien informadas.
A no ser que el desastre haya sido originado en un local preparado a los efectos, los afectados no contaran con dosímetros estándar para realizar las mediciones. En este caso se recurre a la llamada dosimetría retrospectiva o de emergencia.
Para ello se buscan materiales que sean de uso común (pues estarán sujetos a la misma radiación que el usuario), con baja reducción de la señal y que puedan distinguir entre radiaciones mayores — requieren tratamiento inmediato — o menores — son menos apremiantes — que 2 Gy (Gray, unidad del Sistema Internacional para la radiación ionizante, denota la absorción de un Joule de radiación por un kilogramo de masa). Obviamente, para este esfuerzo se ha enfocado la mirada en los teléfonos celulares, y en específico en los vidrios protectores, pues son fáciles de extraer y manipular para hacer las mediciones.
Las mediciones se realizan utilizando el fenómeno de la luminiscencia (cuando un material absorbe radiación para luego emitirla nuevamente al volver a su estado base).
Si les suenas las palabras fluorescencia y fosforescencia, es porque son casos específicos de luminiscencia. Investigaciones recientes han demostrado que en efecto es posible obtener señales de muestras de Gorilla Glass independientemente del modelo, fabricante y año de fabricación.
No obstante, en todos los casos los investigadores concluyen que la radiación ultravioleta a que son sometidos durante el proceso de fabricación dificulta en gran medida las lecturas, y que son necesarios más estudios para encontrarle una solución a este problema. ¿Quién sabe? Quizá en un futuro la pantalla de los celulares ayude a salvar vidas.
Fuentes:
https://doi.org/10.1063/1.5108971
