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Glass and Light
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SECÇÃO CIENTÍFICA



A interacção entre a luz e o vidro, que nesta exposição é a base da nossa percepção visual, é explorada através de diversas experiências. Devido à reflexão ou absorção de ondas electromagnéticas, a realidade e os objectos que a constituem são revelados aos nossos olhos. Os diferentes tipos de interacção entre um feixe de luz e um pedaço de vidro ilustram-se no esquema que se segue.



Existem milhares de tipos de vidro, cada um com composições químicas diferentes que influenciam as suas propriedades físicas. Em geral os vidros são transparentes à luz visível, no entanto absorvem a radiação electromagnética com comprimentos de onda maiores do que ca. 4 µm (infravermelho) e menores do que 350 nm (ultravioleta). Este comportamento deve-se ao facto dos vidros terem um coeficiente de absorção baixo na região de 390 a 700 nm. Um feixe de luz sofre dispersão quando atravessa um vidro com pequenas partículas (cristais, pequenas bolhas, ...) com um índice de refracção diferente do da matriz do vidro. Quando o número destas partículas é pequeno e o objecto de vidro tem uma espessura fina, o vidro torna-se translúcido, mas quando o número de partículas é elevado o vidro torna-se opaco, e neste caso se a intensidade da dispersão da luz for semelhante para todos os comprimentos de onda, o vidro torna-se branco. A reflectância pode aumentar ou diminuir depositando-se na superfície do vidro filmes finos de elementos, óxidos ou outros compostos com índices de refracção maiores ou menores do que o índice de refracção desse vidro. Como a reflectância é diferente para os vários comprimentos de onda o vidro tem cor. Com a alteração da composição do vidro é possível obter diferentes efeitos visuais. Se, por exemplo, forem utilizados diferentes colorantes pode obter-se uma grande variedade de cores ou se forem depositados no vidro filmes finos de determinados óxidos observa-se um efeito “dicróico” em que a cor varia conforme o ângulo de observação. Finalmente, em certos casos, quando alguns óxidos de terras raras são adicionados à composição do vidro, observa-se a emissão de luz de várias cores, quando iluminado com radiação ultravioleta, conforme o tipo de óxido usado. Este fenómeno é conhecido por luminescência.

Nesta exposição, uma secção é dedicada à interacção da luz com o vidro e algumas experiências interactivas estarão disponíveis para o público. Um exemplo extraordinário da variedade de cores que se podem obter para tesselas de mosaico é apresentada através do painel da fábrica Ângelo Orsoni (Veneza), criado há mais de um século com a finalidade de impressionar os visitantes da Exposição Internacional de Paris em 1889. Estão expostos também alguns vidros dicróicos em que as cores variam conforme o ângulo de observação. Noutra experiência interactiva a luz de uma lâmpada de halogéneo e de um LED (diodo emissor de luz) é decomposta usando um prisma e mostrando a diferença entre as duas fontes de luz. Alguns vidros com terras raras estão também em exibição podendo observar-se que são incolores à luz natural mas quando iluminados com luz ultravioleta, emitem luz com diferentes cores.

Painel Orsoni / Cor do vidro
A cor do vidro é um resultado complexo de vários parâmetros; depende da fonte de luz, da absorção da luz pelo vidro, das propriedades reflectoras da superfície e dos ângulos de iluminação e de observação. As cores variam em diferentes aspectos, tais como na tonalidade (tons de vermelho, amarelo, ...) saturação, brilho e lustro. Se não se adicionar deliberadamente um corante, a cor do vidro depende largamente da presença de ferro (um contaminante existente nas matérias primas). Os vidros contêm ferro em ambos os estados de oxidação, Fe2+ e Fe3+, gerando uma série de tonalidades amarelas, verdes, azul esverdeadas, que são as chamadas cores “naturais” do vidro que dependem da concentração do ferro e do seu estado de oxidação. Para remover a cor originada pela presença de ferro e obter um vidro incolor é adicionado um descolorante químico como por exemplo o MnO2 ou o Sb2O3. O descolorante converte o Fe2+ (verde azulado forte) a Fe3+ (amarelo fraco) de acordo com a reacção Mn3+ + Fe2+ → Mn2+ + Fe3+. O processo de descoloração física altera a cor para um cinzento neutro ao adicionar à composição do vidro compostos que dão origem à cor vermelha (selénio) e à cor azul (cobalto). O Manganês é simultaneamente um descolorante químico e físico, dado que a cor púrpura, devido a um pequeno excesso de Mn3+, neutraliza a cor residual amarela do Fe3+. Diferente tipos de cromóforos são usados para colorir o vidro:

a) Iões
Quando iões de elementos de transição tais como crómio, manganês, ferro, cobalto e cobre são dissolvidos no vidro, este apresenta uma coloração. A cor depende do ião, do seu estado de oxidação ou redução, do seu número de coordenação, da sua concentração e da composição do vidro. Iões tais como o cobalto e o níquel dissolvem-se no vidro apenas na forma de iões 2+. Pequenas concentrações de cobalto (0,025 a 0,1%) dão origem a um vidro azul. O níquel, dependendo da sua concentração, dá ao vidro as cores azul ou violeta, chegando mesmo a tornar o vidro preto. Quando ao vidro plúmbico se adiciona níquel este fica com uma cor púrpura. Iões tais como o cobre, ferro, manganês e crómio podem mudar o seu estado de oxidação no vidro, dando origem a diferentes cores. Por exemplo 2 a 3% de óxido de cobre dão ao vidro uma cor azul-turquesa (Cu2+), ou verde na presença de ferro oxidado, no entanto o ião Cu+ é incolor. Outro exemplo é o crómio que no seu estado de oxidação 6+ é um poderoso agente colorante amarelo, enquanto que na forma Cr3+ dá origem a um vidro verde escuro. Outros tipos de agentes colorantes são os lantanídeos e os actinídeos que podem também conferir ao vidro luminescência. Por exemplo, o urânio com concentrações de 0,1 a 2% pode conferir ao vidro uma cor amarela ou verde fluorescente; quando incorporado em vidro plúmbico com elevadas concentrações de chumbo dá origem a uma cor vermelha intensa. Determinadas cores que não podem ser obtidas na preparação de vidros coloridos obtêm-se sobrepondo várias camadas de vidro com cores diferentes.

b) Nanopartículas (colóides)
Suspensões coloidais na matriz de vidro de partículas de metais de cobre, ouro ou prata dão origem a cores intensas, tais como vermelho-escuro, vermelho rubi e amarelo, respectivamente. O termo aparecimento ou surgimento das cores (striking em inglês) refere-se às cores que formam os seus centros de cor coloidais durante um aquecimento, aquecimento este que fomenta a agregação dos átomos destes metais em partículas coloidais com dimensões de 10 a 100 nm. O selénio também dá origem a uma cor vermelha devido à formação de nanopartículas dispersas no vidro. Quando é usado conjuntamente com o sulfureto de cádmio obtém-se uma cor vermelha brilhante conhecida como “selenium ruby”. O cádmio conjuntamente com o enxofre forma o sulfureto de cádmio obtendo-se uma cor amarela intensa. As partículas coloidais de cobre metálico ou de cuprite (Cu2O) produzem um vidro transparente com um vermelho intenso. O ouro metálico em concentrações muito baixas (ca. 0,001% ou 10 ppm), produzem um vidro rubi com uma cor característica (ruby gold ou “Rubino all’oro”). A prata pode dar origem a uma variedade de cores que pode ir de vermelho alaranjado a amarelo. A coloração a prata (ou lustre se o cobre estiver associado à prata) é obtida aplicando sobre a superfície do vidro um composto de prata (sulfato, cloreto, ...) misturado com argila e posteriormente aquecido a cerca de 650ºC durante alguns minutos e depois arrefecido lentamente. Neste processo dá-se a troca de iões de prata com iões alcalinos do vidro, e subsequente redução dos iões de prata a partículas metálicas que por agregação formam nanopartículas.

c) Pigmentos (inclusões com cor)
Quando se formam fases microscópicas uniformemente distribuídas e com índices de refracção diferentes das dos vidros, a luz incidente será dispersa e reflectida em todas as direcções (dispersão) e o vidro torna-se branco opaco. Este efeito pode ser obtido pela separação de pequenos cristais durante o arrefecimento (como é o caso dos cristais de antimoniato de cálcio que se separam à medida que o vidro fundido é arrefecido), ou pela introdução, durante a fusão do vidro, de um composto refractário não solúvel, finamente moído, (cristais de óxido de estanho são adicionados à composição na forma de estanho-chumbo calcinados, “calx”, que são preparados pelo aquecimento de uma mistura dos dois metais). O aumento da presença da quantidade de cristais dispersos numa matriz de vidro colorido dá, progressivamente, origem a tonalidades mais claras. Quando cristais microscópicos absorvem selectivamente parte do espectro do visível (pigmentos) e estão muito dispersos na matriz do vidro, a luz incidente será absorvida selectivamente, dispersa e reflectida em todas as direcções e o vidro torna-se opaco e colorido. A cuprite (Cu2O) na forma de grandes cristais, dá ao vidro uma cor com uma tonalidade vermelha intensa enquanto que na forma de pequenos cristais a cor obtida tem uma tonalidade alaranjada. Finalmente o vidro com partículas micrométricas de cobre apresenta uma cor vermelha-acastanhada. Os pigmentos amarelos são preparados na forma de cristais de chumbo-estanho, chumbo-antimónio e chumbo-estanho-antimónio e depois misturados no vidro fundido. O número de tonalidades pode aumentar ao adicionar ferro e zinco à composição. Um exemplo extraordinário da variedade de cores obtidas em pastilhas de vidro para mosaico é o painel da fábrica Angelo Orsoni (Veneza, Itália) criada há mais de um século com a finalidade de deslumbrar os visitantes da Exposição Internacional de Paris em 1889. Este painel encontra-se também nesta exposição. Um painel mais pequeno é também apresentado com tesselas que incluem folhas de ouro, prata ou as suas ligas (com menos de 0,5 micrómetros de espessura) fixados a quente entre duas camadas de vidro. O vidro inserido no suporte tem 5 a 10 mm de espessura e uma camada fina de vidro soprado (0,3 a 0,5 mm de espessura) que protege a frágil folha de metal e confere-lhe um maior brilho. A cor da tessela depende da cor do metal utilizado, da cor da lâmina de vidro fina e também da cor do suporte. 

Vidros dicróicos
O vidro pode ser revestido com mono- ou multicamadas de metais ou de vários compostos tendo como finalidade a obtenção de efeitos especiais de cor. Vidros coloridos, dicróicos e espelhos são revestidos com uma ou várias camadas (metais, óxidos de metais ou nitretos) com uma espessura de alguns nanómetros. Os vidros dicróicos apresentados nesta exposição são formados por um processo de revestimento especial constituído por várias camadas alternadas com índices de refracção baixos e elevados. A estrutura periódica formada por estas camadas origina, por interferência, reflexões e transmissões selectivas da luz e a intensidade do efeito depende do número de camadas. A espessura de cada camada nos vidros apresentados é de cerca de 100 a 150 nm e o número de camadas varia de 14 a 28. Note-se que a cor varia com o ângulo de observação. Os vidros dicróicos são usados em diversas aplicações, nomeadamente em revestimentos antireflectivos, filtros, óculos de sol, painéis decorativos, etc. Os vidros dicróicos usados em aplicações artísticas têm usualmente camadas alternadas de sílica e de zircónio ou tântalo. Algumas amostras de vidro dicróico são apresentadas nesta exposição.

Quando a luz atravessa o vidro / decomposição da luz pelo vidro
Quando um feixe de luz atravessa um vidro uma parte é reflectida e outra parte é transmitida. É possível observar uma mudança na direcção do feixe de luz devido aos diferentes índices de refracção do ar e do vidro. O índice de refracção do vidro é a razão entre a velocidade da luz no vácuo e a velocidade da luz no vidro. O índice de refracção do vidro com chumbo (vidro cristal) é maior do que o do vidro comum silicatado sodo-cálcico, razão pela qual é o mais brilhante. A luz é uma radiação electromagnética cuja propagação pode ser representada por uma onda electromagnética. A luz branca é composta por todas as frequências na zona do visível desde cerca de 7,7 x 1014 a 3,8 x 1014 Hz (correspondendo a comprimentos de onda de cerca de 390 a 780 nm). Uma prisma de vidro flecte um feixe de luz branca e o ângulo de flexão varia com o comprimento de onda. Devido a este facto a luz é decomposta nas cores que a constituem, formando-se um arco-íris, com cores que variam do violeta ao vermelho, como se pode observar na seguinte figura.

A composição da luz artificial depende da fonte utilizada. Por exemplo o filamento de uma lâmpada de halogéneo é aquecido pela corrente eléctrica até se tornar incandescente; a maior parte da energia é emitida na região do infravermelho que não é visível. O espectro na região do visível resultante desta lâmpada é uniforme com maior intensidade de energia nos comprimentos de onda mais elevados (vermelho). No caso de um LED este emite luz azul (comprimento de onda de 450 nm); um revestimento no LED é usado para converter a luz azul num espectro de banda larga de luz branca. O espectro visível resultante tem dois picos principais (azul e amarelo). A decomposição da luz através de um prisma de cristal é apresentada nesta exposição.

 

A decomposição da luz, através de um prisma de cristal, emitida por uma lâmpada com leds pode ser observada na figura seguinte.

 

Vidros luminescentes com diferentes terras raras.
Um dos processos pelo qual uma molécula pode dissipar a sua energia, quando um fotão é absorvido, designa-se por luminescência, que é a emissão de luz nas zonas do ultravioleta, visível ou infravermelho devido ao decaimento de fotões de espécies electronicamente excitadas. Um material luminescente pode ser fluorescente ou fosforescente. A fluorescência é a radiação emitida que teve origem num estado excitado que tem a mesma multiplicidade de spin que a do estado fundamental (S1 ◊ S0 relaxação). Em contrapartida a fosforescência tem origem na de-excitação de um estado excitado com uma multiplicidade diferente da do estado fundamental (T1 ◊ S0). A maior diferença entre estes dois tipos de luminescência traduz-se nos seus tempos de decaimento, dado que, na fluorescência, se a fonte de excitação termina a emissão decai tão rapidamente (10-9 – 10-6) que é instantânea para a vista humana. Nos materiais fosforescentes a emissão decai muito mais lentamente, por vezes atingindo algumas horas, e pode ser observada a olho nu. Os vidros luminescentes são normalmente sintetizados usando óxidos de terras raras na sua composição. Este tipo de vidros exibem cores luminescentes interessantes que podem variar mudando o elemento e a composição da matriz vítrea. As terras raras, de acordo com a IUPAC (Internation Union of Pure and Applied Chemistry) incluem os elementos de massa atómica 21 (Sc), 39 (Y) e a série de elementos de massa atómica 57 (La) a 71 (Lu). O termo lantanídeo é usado na designação dos elementos de massa atómica 57 (La) a 71 (Lu). Contrariamente ao que a designação terras raras significa, alguns destes elementos existem em quantidades relativamente grandes e são normalmente usados em várias aplicações como por exemplo dispositivos electroluminescentes, aplicações biomédicas, sensores químicos, catalisadores e mesmo em artes decorativas e em obras de arte. Vidros silicatados sodo-cálcicos produzidos com diferentes óxidos de terras raras são mostrados nesta exposição. Nenhuma cor se observa sob luz natural, contudo, sob luz ultravioleta (neste caso emitida por LEDs, ca. 365 nm), várias cores luminescentes podem ser observadas: vermelho, azul, verde e amarelo devido à incorporação no vidro de óxidos de európio (Eu2O3), de cério (CeO2), de térbio (Tb4O7) e de disprósio (Dy2O3), respectivamente. Alguns exemplos poderão ser vistos nesta exposição.

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