Vitrificazione

Un esperimento di vetrificazione per lo studio dello smaltimento delle scorie nucleari ai Pacific Northwest National Labs.

La vetrificazione è un processo di conversione di un materiale in un solido amorfo simile al vetro, privo di qualsiasi struttura cristallina, sia attraverso la rapida rimozione o aggiunta di calore, sia attraverso la miscelazione con un additivo. La solidificazione di un solido vetroso avviene alla temperatura di transizione vetrosa (che è inferiore alla temperatura di fusione, Tm, a causa del superraffreddamento).

Quando il materiale di partenza è solido, la vetrificazione di solito comporta il riscaldamento delle sostanze a temperature molto elevate. Molte ceramiche sono prodotte in questo modo. La vetrificazione può anche avvenire naturalmente quando un fulmine colpisce la sabbia, dove il calore estremo e immediato può creare strutture cave e ramificate simili a radici di vetro, chiamate fulgurite. Se applicato alla ceramica bianca, vitreo significa che il materiale ha una permeabilità estremamente bassa ai liquidi, spesso ma non sempre all’acqua, quando determinata da un regime di test specifico. La microstruttura della ceramica whiteware spesso contiene sia fasi amorfe che cristalline.

Esempi

Quando il saccarosio viene raffreddato lentamente, il risultato è zucchero cristallino (o zucchero di roccia), ma, se raffreddato rapidamente, il risultato può essere sotto forma di zucchero filato sciropposo (zucchero filato). La vetrificazione può avvenire anche partendo da un liquido come l’acqua, di solito attraverso un raffreddamento molto rapido o l’introduzione di agenti che sopprimono la formazione di cristalli di ghiaccio. Gli additivi usati in criobiologia o prodotti naturalmente da organismi che vivono in regioni polari sono chiamati crioprotettori. Le rane artiche e alcuni altri ectotermi producono naturalmente glicerolo o glucosio nei loro fegati per ridurre la formazione di ghiaccio. Quando il glucosio è usato come crioprotettore dalle rane artiche, massicce quantità di glucosio sono rilasciate a bassa temperatura, e una speciale forma di insulina permette a questo glucosio extra di entrare nelle cellule. Quando la rana si riscalda in primavera, il glucosio extra deve essere rapidamente rimosso dalle cellule e riciclato attraverso l’escrezione renale e lo stoccaggio nella vescica. Anche gli insetti artici usano zuccheri come crioprotettori. I pesci artici usano proteine antigelo, a volte aggiunte agli zuccheri, come crioprotettori.

Applicazioni

Il vetro soda-calcico ordinario, usato nelle finestre e nelle stoviglie, è creato dall’aggiunta di carbonato di sodio e calce (ossido di calcio) al biossido di silicio. Senza questi additivi, il biossido di silicio (con un lento raffreddamento) formerà sabbia o cristallo di quarzo, non vetro.

La vetrificazione è una tecnica collaudata nello smaltimento e nello stoccaggio a lungo termine delle scorie nucleari o di altri rifiuti pericolosi. Le scorie vengono mescolate con sostanze chimiche che formano il vetro per formare vetro fuso che poi si solidifica, immobilizzando le scorie. La forma finale dei rifiuti assomiglia all’ossidiana ed è un materiale durevole e non lesivo che intrappola efficacemente i rifiuti all’interno. I rifiuti possono essere conservati per periodi relativamente lunghi in questa forma senza preoccuparsi della contaminazione dell’aria o delle acque sotterranee. La vetrificazione di massa usa elettrodi per fondere il terreno e i rifiuti dove giacciono sepolti. I rifiuti induriti possono poi essere disinterrati con meno pericolo di contaminazione diffusa. Secondo i Pacific Northwest National Labs, “la vetrificazione blocca i materiali pericolosi in una forma di vetro stabile che durerà per migliaia di anni.”

Il glicole etilenico è usato come antigelo per automobili e il glicole propilenico è stato usato per ridurre i cristalli di ghiaccio nel gelato, rendendolo più liscio.

Per anni, il glicerolo è stato usato in criobiologia come crioprotettore per cellule del sangue e sperma di toro, permettendo la conservazione a temperature di azoto liquido. Tuttavia, il glicerolo non può essere usato per proteggere interi organi dai danni. Invece, molte aziende biotecnologiche stanno attualmente ricercando lo sviluppo di altri crioprotettori più adatti a tali usi. Una scoperta di successo potrebbe alla fine rendere possibile lo stoccaggio criogenico in massa (o “banking”) di organi umani e xenobiotici trapiantabili. Un passo sostanziale in questa direzione è già avvenuto. Alla conferenza annuale del luglio 2005 della Society for Cryobiology, Twenty-First Century Medicine ha annunciato la vetrificazione di un rene di coniglio a -135°C con il loro cocktail di vetrificazione proprietario. Al riscaldamento, il rene è stato trapiantato con successo in un coniglio, con funzionalità e vitalità complete.

Nel contesto della crionica, specialmente nella conservazione del cervello umano, la vetrificazione del tessuto è ritenuta necessaria per prevenire la distruzione del tessuto o delle informazioni codificate nel cervello. Al momento, le tecniche di vetrificazione sono state applicate solo al cervello (neurovitrificazione) da Alcor e alla parte superiore del corpo dal Cryonics Institute, ma sono in corso ricerche da entrambe le organizzazioni per applicare la vetrificazione a tutto il corpo.

Vedi anche

• Solido amorfo
• Criogenia
• Vetro
• Decadimento radioattivo

Note

• Ashle, Steven. Giugno 2002. Dividere e vetrificare. Scientific American.
• Lovgren, Stefan. Marzo 2005. Cadaveri congelati per una futura rinascita dalla compagnia dell’Arizona. National Geographic.
• Vitrificazione: Putting the Heat on Waste.

Tutti i link recuperati il 9 maggio 2020.

• Vitrificazione in crionica
• Fragilità dei liquidi e transizione vetrosa in acqua e soluzioni acquose