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TAPA

Un misterio develado

Investigador elabora dictamen sobre el origen de la mancha sobre el vidrio que parece una imagen sacra

Pesquisa FAPESP cede un espacio excepcionalmente en esta edición para esclarecer un misterio moderno: en lugar de tomar como base un texto científico para elaborar un artículo, publica directamente el referido texto. Porque la revista desea presentar en detalle una visión científica en un lenguaje científico –que se contrapone a la visión y al lenguaje místico: se trata de la causa de las manchas que se asemejan a imágenes sacras, presentes en algunas ventanas de vidrio. Uno de estos fenómenos ha provocado conmoción en la localidad de Ferraz de Vasconcelos, en el Gran São Paulo. El pasado 14 de julio, los habitantes de la vivienda ubicada en el nº 330 de la calle Antônio Bernardino Corrêa, vieron una mancha en el vidrio de la ventana que parece una imagen de la Virgen. La dueña de la casa, Ana Maria de Jesus Rosa, intentó en balde quitar dicha mancha con productos de limpieza. Como los vidrios, y consecuentemente la imagen, dan a la calle, la noticia se propagó y el sitio se convirtió en lugar de peregrinación y oración, por el cual ya han pasado decenas de miles de personas. Monseñor Paulo Antonino Mascarenhas Roxo, obispo de la diócesis de Mogí das Cruzes, a la cual pertenece Ferraz de Vasconcelos, decidió formar una comisión de diez especialistas entre religiosos, psicólogos, químicos y físicos, para elaborar un dictamen oficial. “La Iglesia recién va a adoptar una postura cuando tenga en sus manos el laudo científico”, dice monseñor Mascarenhas Roxo.

El portavoz de la comisión es el psicólogo Welligton Zangari, del Instituto Inter Psi, vinculado a la Pontificia Universidad Católica de São Paulo (PUC-SP). Inter Psi es un grupo de estudios de semiótica, interconectividad y consciencia que estudia fenómenos psicosociales, como éste de la localidad de Ferraz de Vasconcelos. “La comisión invitó a otros dos investigadores para que analizasen el vidrio y elaborasen sus propios dictámenes”, dice Zangari. Al margen del análisis de las características fisicoquímicas, la comisión se planteó estudiar también los aspectos psicológicos y sociales de la cuestión. “Queremos entender por qué la imagen provocó esa reacción en la gente”. Entre los expertos escuchados por la comisión se encuentra Edgar Dutra Zanotto, doctor en tecnología del vidrio, profesor titular de ingeniería de materiales de la Universidad Federal de São Carlos (UFSCar) y coordinador adjunto de la dirección científica de la FAPESP. Zanotto es autor de la comunicación que aparece en las siguientes páginas, en la cual explica detalladamente el fenómeno de la imagen existente en las ventanas de Ferraz de Vasconcelos. El investigador muestra que ese tipo de vidrio, cuando está sujeto a la intemperie, sufre ataques químicos que producen figuras de una geometría redondeada, que se asemejan a imágenes sacras. “Es un proceso perfectamente natural, muy común y muy fácil de observar en ventanas de vidrios de oficinas y viviendas”, dice Zanotto, quien ya ha presentado su laudo ante la comisión.

Los análisis del vidrio fueron íntegramente realizados en la residencia de Ferraz de Vasconcelos. “No retiramos el vidrio”, dice Zangari. “Fue una condición impuesta por la familia para dejarnos trabajar”. La familia no parece estar preocupada con los resultados obtenidos por los especialistas. “Nada va a menguar mi fe. Creemos en la virgen, y eso nos basta”, asevera Ana Maria. Por su parte, el obispo también parece estar preparado para sortear las explicaciones científicas. “Lo importante es todo aquello que este fenómeno ha suscitado: un mayor número de personas se sienten cerca de Dios, e incluso la violencia en el barrio ha disminuido en este tiempo”, dice monseñor Mascarenhas Roxo. Una prueba de que la fe puede convivir con los enigmas de la naturaleza, sin necesidad de explicaciones divinas.

Desde el pasado mes de julio, una imagen que aparece en una pequeña ventana de vidrio (Figura 1) moviliza a millares de personas en la localidad de Ferraz de Vasconcelos, en la periferia de São Paulo, Brasil. Es una forma que se asemeja a la de la Virgen María, la madre de Jesús. Luego de innumerables notas en televisión, empezaron a aparecer efigies similares en viviendas de varias ciudades del interior del estado de São Paulo y en otros estados brasileños.

Distintos científicos han emitido sus opiniones en reportajes de radio y televisión sobre el presunto milagro, algunas de éstas muy razonables. Pero debido al exiguo tiempo del cual disponen, dichas explicaciones no han sido bien entendidas, tanto por el público neófito como por la comunidad académica. Para aclarar este misterio, demostraremos que tales imágenes son producto de fenómenos naturales (corrosión e iridescencia) conocidos desde hace décadas, tanto por los científicos de los materiales como por los productores de vidrios planos.

El vidrio para ventanas
Los primeros vidrios fabricados por el hombre datan aproximadamente del año 4000 a.C. Desde aquella época, las composiciones más comunes, entre las que se incluyen las de los vidrios de botellas y ventanas, contienen principalmente sílice (SiO2), que es el componente que forma la red estructural del vidrio, y cuya mayor fuente es la arena. Los restantes componentes son los óxidos de sodio (Na2O), de potasio (K2O), de calcio (CaO), de magnesio (MgO), de aluminio (Al2O3), elementos minoritarios e impurezas. Es curioso notar que éstos son los elementos más abundantes en el planeta; de allí el extensivo uso de este tipo de vidrios, conocidos con el nombre genérico de soda-cal-sílice.

El Gráfico 1 muestra las composiciones típicas de los vidrios para ventanas modernos y los medievales. Mientras que las composiciones actuales son prácticamente uniformes, las composiciones más antiguas varían sustancialmente (Muller et al. 1994). Los vidrios medievales tienen un mayor índice de impurezas, tales como óxido de hierro (Fe2O3), manganeso (MnO) y fósforo (P2O5), y son ricos en potasio, en cuanto que los vidrios para ventanas contemporáneos tienen un mayor tenor de sodio. Mostraremos más adelante que estos dos últimos elementos (álcalis) son los responsables de la corrosión y la formación de imágenes con formas redondeadas y multicolores sobre la superficie del vidrio.

La corrosión acuosa
Cuando un vidrio entra en contacto con una solución acuosa, se desencadenan cambios químicos y estructurales en su superficie (Figura 2). Asimismo, en el transcurso de dicha reacción, la formación y la acumulación de productos de corrosión provocan cambios en su composición química, y elevan el pH de la solución. Es importante hacer hincapié en que el vidrio no resiste a pH elevados, que ocasionan la disolución de la red de sílice que lo estructura. Desde la década del 50, decenas de investigadores (por ejemplo, Clark et al, 1979) demostraron experimentalmente que las reacciones entre el agua y el vidrio pueden dividirse en dos estadios:

Primer estadio
El ataque primario es un proceso que implica un intercambio entre los iones de sodio (Na+) y potasio (K+) del vidrio y los iones de hidrógeno de la solución; los restantes constituyentes del vidrio no se alteran. La reacción (a) en la Figura 2 tiende a predominar en el primer estadio. Durante el mismo, la extracción de álcalis (Na, K) del vidrio es lenta y decrece en forma aproximada a la raíz cuadrada del tiempo. Durante esas reacciones, se puede observar un aumento del área superficial efectiva del vidrio en contacto con la solución corrosiva, debido al incremento de la rugosidad. Este aumento del área superficial se relaciona con la lixiviación (disolución selectiva) de los iones alcalinos del vidrio, que deja una capa rica en sílice, que contiene microporos hidratados. La extensión del área superficial lixiviada depende de la composición inicial del vidrio. En materiales que contienen menores tenores de sílice, este aumento del área superficial es más significativo. Por lo tanto, la lixiviación aumenta con el tenor de álcalis.

Segundo estadio
El segundo estadio de ataque es un proceso en el cual se concreta una rotura de las uniones principales (Si-O-Si), lo que ocasiona la disolución de la estructura del vidrio. Esta reacción (b) en la Figura 2 es el mecanismo dominante en el segundo estadio.

En vidrios del tipo soda-cal-sílice, la fuerza motriz para iniciar el proceso de difusión del ion Na+ del vidrio hacia la solución acuosa en la reacción (a) es la diferencia de concentración del mismo en el vidrio y en el agua superficial. Con todo, para mantener la neutralidad eléctrica, los iones de hidrógeno (H+) del agua deben difundirse desde la solución hacia el vidrio y ocupar los espacios dejados por los iones de sodio que migraron hacia la solución. Como consecuencia de ello, este intercambio iónico ocasiona una elevación del pH de la solución acuosa.

Intemperismo
Se denomina intemperismo a la degradación de la superficie del vidrio causada por la interacción con la humedad atmosférica. El intemperismo se clasifica en dos tipos: intemperismo estático e intemperismo dinámico. Este último puede ser ocasionado por uno de los procesos que se describen a continuación:
i) Condensación-lixiviación: en el cual la humedad se deposita sobre la superficie del vidrio hasta que se desencadena un proceso natural de lixiviación, que lava los productos de la reacción. Por consiguiente, no hay acumulación de productos de reacción (Figura 3b).
ii) Adsorción-condensación-evaporación: una fina capa de ‘neblina’ se forma sobre la superficie, pero se evapora antes que se formen gotas de agua. En este caso, hay acumulación de productos de reacción (Figura 3d). El intemperismo estático puede ser causado por el aprisionamiento de gotas de lluvia entre dos placas de vidrio, tal como se describe en la Figura 3c.

El intemperismo dinámico tipo (i) constituye una forma de corrosión acuosa, pues la superficie del vidrio es continuamente reabastecida con la solución a una tasa específica. Durante el período en el cual la gota permanece sobre la superficie, se produce la desalcalinización (empobrecimiento de Na+ y K+) del vidrio y, simultáneamente, una elevación del pH del agua. Si la razón S/V entre el área superficial expuesta del vidrio (S) y el volumen de la solución (V) es alta en la gota de agua (> 1 cm-¹), la elevación del pH ocasiona la disolución total de la superficie de vidrio en contacto con las gotas. La deterioración localizada y la rugosidad resultante en la superficie del vidrio redundan en el aprisionamiento de la solución durante la lixiviación. La degradación de la superficie continua allí en donde la solución se depositó, en los poros corroídos. Tal corrosión se manifiesta a través de la formación de pequeños cráteres (pitting) y el descascarado (spalling) de algunas regiones de la superficie. Esto puede ocasionar manchas notorias a simple vista (staining). El intemperismo dinámico del tipo (ii) se caracteriza por la presencia de productos de reacción en la superficie del vidrio.

Este tipo de intemperismo, producido bajo alteraciones cíclicas de temperaturas o humedad, es el principal motivo de preocupación de los fabricantes de vidrios. El ataque se observa inicialmente por un pequeño empañamiento de la superficie del vidrio, seguido de la formación de una película visible, que varía en espesor según la composición del vidrio y la severidad del ataque. Diversos autores han estudiado extensamente estas películas, valiéndose de la microscopía electrónica de transmisión y difracción de rayos X, y han demostrado que las mismas son ricas en sodio. Asimismo, las películas ricas en Na reaccionan con la mayoría de los gases ácidos, tales como el CO2 y el SO2 (presentes en ambientes contaminados), para formar las respectivas sales: Na2CO3 y Na2SO4. Como el CO2 está presente en cantidades significativas en la atmósfera, la Na2CO3 sería producto de la reacción en la mayoría de los vidrios que sufren la intemperie de este tipo. La presencia de Na2CO3 se verificó mediante el análisis de difración de rayos-X sobre la superficie de vidrios comerciales que sufrieron la intemperie. Si se detecta la presencia de gases de cloro o azufre en el ambiente, las sales de esas especies reactivas pueden también formarse sobre la superficie del vidrio. La capa formada por el intemperismo tipo (ii) puede actuar como una barrera protectora para retardar corrosiones futuras, limitando de ese modo su propio espesor. Entretanto, esa película puede destacarse espontáneamente (scumming) o ser removida con soluciones químicas o abrasión. De cualquier manera, la superficie restante presentará signos evidentes de corrosión, tales como la rugosidad. Los diversos tipos de corrosión acuosa o intemperismo discutidos anteriormente están ilustrados esquemáticamente en la Figura 3 para condiciones de exposición típicas. La corrosión acuosa estática se produce en la parte interna del recipiente de vidrio que contiene la solución líquida (Figura 3a), por ejemplo. En caso de que el cociente S/V sea pequeño, el aumento del pH de la solución será lento y el primer estadio de la Figura 2 (lixiviación de álcalis) será el principal mecanismo de corrosión.

Durante la corrosión acuosa dinámica (como la provocada por el lavado de las ventanas con agua a presión), la superficie es continuamente reabastecida con una solución corrosiva (Figura 3b). Lo propio sucede con las ventanas expuestas a la lluvia, lo que caracteriza un intemperismo dinámico. Por lo tanto, el pH de las gotas de agua no se altera significativamente, a pesar de que la razón S/V sea alta. Nuevamente, el principal mecanismo de corrosión es descrito por la reacción (a) de la Figura 2. El intemperismo estático, en el cual la solución corrosiva no se renueva, es probablemente el tipo más severo de corrosión. Las gotas de agua pueden permanecer alojadas en los intersticios que se forman entre los vidrios planos apilados y almacenados en recintos sujetos a la acción de la humedad (Figura 3c). Si las placas de vidrio son apiladas a pequeña distancia entre sí, se puede registrar una alta razón S/V. Consecuentemente, el pH del agua retenida aumenta rápidamente, junto con una disolución localizada del vidrio. La condición de intemperismo hallada más frecuentemente es la que se muestra en la Figura 3d. El vidrio reacciona con la humedad y con los gases presentes en la atmósfera, lo que resulta en la formación de sales precipitadas sobre la superficie del vidrio. Las condiciones necesarias para la formación de gotas de agua para lavar esos precipitados no están presentes en ese caso. La resistencia del vidrio al ataque químico depende del medio al cual el vidrio está expuesto. Los resultados que se obtienen a partir de un tipo particular de ambiente no deben extrapolarse a otras condiciones de almacenaje.

La Virgen de las ventanas: la explicación
Ante todo lo expuesto, nuestra hipótesis indica que las imágenes de Ferraz de Vasconcelos y de las otras localidades son producto del ataque químico ocasionado por uno o más mecanismos como los descritos anteriormente. Debido a que el señor Antônio (propietario de la vivienda de Ferraz de Vasconcelos) obtuvo aparentemente esa placa de vidrio en una demolición, una probable causa de la corrosión sería el almacenamiento prolongado de dicha placa cerca de otra, tal como se esboza en el esquema de la Figura 3c. Puede ser también que el almacenamiento en la propia fábrica o en la distribuidora pueda haber causado el mismo efecto. Esto también explicaría el formato redondeado de la imagen, que se parece a una Virgen. Un cierto volumen de agua prensada entre dos placas de vidrio durante el almacenaje puede generar tal aspecto peculiar.
Para minimizar el área mojada, la tensión superficial siempre produce geometrías redondeadas. Las gotas de agua que reposan libremente sobre las placas de vidrio tienen una sección perfectamente circular. Con todo, al ser prensadas por otra placa, se esparcen parcialmente, lo que rompe esa perfecta circularidad, pero se mantienen las formas redondeadas. Pruebas efectuadas en el Laboratorio de Materiales Vítreos de la Universidad Federal de São Carlos (LaMaV/ UFSCar) demuestran que un número ilimitado de geometrías (incluyendo algunas muy parecidas a la imagen de la Virgen) pueden obtenerse al prensar una gota de agua entre dos láminas de vidrio.
Por lo tanto, la imagen ya existía cuando el vidrio fue instalado, pero solamente fue notada en los últimos tiempos. La percepción de esas figuras es realmente sutil. Un ejemplo de ello: en el Departamento de Ingeniería de Materiales de la UFSCar, hay desde hace años unas ventanas que dejan ver imágenes de geometría redondeada, similares a la de Ferraz de Vasconcelos (pero no tan parecidas a la Virgen). Con todo, ipoquísimos investigadores y estudiantes se han dado cuenta de ello!

Iridescencia
Resta todavía explicar el “aura” multicolor que envuelve a la imagen y refuerza la semejanza con una aparición sacra. La ciencia también explica este fenómeno, conocido como iridescencia. La iridescencia se define como un efecto arco iris, cuyo color cambia según el ángulo de observación o de iluminación. Es común en vidrios antiguos sujetos a intemperismo (el Gráfico 1 muestra que éstos también son ricos en álcalis), siendo provocada en dichos casos por la interferencia óptica, es decir, la luz reflejada de varias capas de productos de corrosión, que tienen un espesor de la magnitud de la longitud de onda de la luz visible (400 – 700 nm).
Algunos artistas conocen y valoran este efecto. Éstos utilizan ácidos para provocar una corrosión controlada, o aplican vapores de SnCl2 o PbCl2 –con posterior calentamiento en atmósfera reductora, pobre en oxígeno– para precipitar finas capas metálicas que provocan el ansiado efecto arco iris en vidrios de decoración. A los incrédulos, les sugerimos desbastar algunos micrones (10-6 m) en la superficie de los vidrios (en el lugar de las imágenes) con una lija abrasiva, y luego pulirla con pasta de diamante u óxido de cerio, para recuperar la planitud y el brillo. Cualquier óptica especializada podrá ejecutar ese trabajo. La imagen, por supuesto, desaparecerá, demostrando así que se trata de corrosión superficial.

Conclusión
En síntesis: los vidrios del tipo soda-cal-sílice sujetos a la intemperie sufren ataques químicos que producen comúnmente figuras de geometrías redondeadas –que evocan imágenes sacras– que se vuelven visibles debido a la iridescencia resultante. Por lo tanto, la ciencia poco a poco va develando los enigmas de la naturaleza y, en este caso, enseña que “Nuestra Señora de las Ventanas” no es un fenómeno del más allá. Es tan sólo fruto de la casualidad; un hermoso ejemplo dado por la propia naturaleza –esta sí perfecta, iun verdadero milagro!

Agradezco a Ana C. M. Rodrigues, Oscar Peitl, Christian Ravagnani, Marcio L. F. Nascimento, Miguel O. Prado, Eduardo B. Ferreira, Ana C. G. Curro y Deonísio da Silva, todos de la UFSCar, por sus valiosas sugerencias.

Referencias
W. Muller, M. Torge e K. Adam, “Ratio of CaO/K2O > 2 as an evidence of a special rheinish type of mediaeval stained glass”.  Glastech. Ber.- Glass Science & Technology, 67, n.2, 45-48 (1994).

D. E. Clark, C. G. Pantano e L.L. Hench – Corrosion of Glass, Magazines for Industry, Inc. New York (1979).

Edgar Dutra Zanotto es doctor en tecnología del vidrio, profesor titular de ingeniería de materiales de la Universidad Federal de São Carlos (UFSCar), y coordinador adjunto de la Dirección Científica de la FAPESP.

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