Al igual que cualquier otro sólido, los cuerpos cerámicos interaccionan con la luz de forma que el ojo humano los percibe de distintos colores, con transparencia u opacidad, y con brillo o matidez.
La luz visible está compuesta por ondas con distintas frecuencias (con longitudes de onda entre los 380 nm de los violetas y los 750 nm de los rojos), que se transmiten en forma de fotones con energías distintas. La energía de cada fotón depende de la frecuencia de su onda.
Cuando los fotones impactan contra un objeto pueden continuar su camino atravesando al objeto (transmisión de la luz) de forma que los objetos son transparentes, o pueden reflejarse o pueden ser absorbidos provocando cambios en la configuración electrónica de átomos, moléculas y cristales.
En los objetos cerámicos, la transmisión directa de la luz para todas las frecuencias visibles (transparencia) solo se produce en los vidriados transparentes.
El resto de cuerpos cerámicos son opacos en mayor o menor medida, es decir, reflejan y absorben fotones de muchas o de todas las frecuencias de luz visible pero la luz no se transmite a través de ellos. Los cuerpos cerámicos y los engobes son muy opacos porque están constituidos, en gran medida, por partículas sólidas sinterizadas y opacas.
La transparencia, es decir, la transmisión directa de la luz a través de un vidriado, solo se consigue cuando el índice de refracción del vidriado no es demasiado grande. La refracción hace que las distintas frecuencias de la luz cambien su trayectoria al entrar en un medio distinto al aire debido a que cambian de velocidad.
Cada material tiene un índice de refracción propio que hace que el cambio de trayectoria sea mayor o menor. Por ejemplo, el índice de refracción del aire es 1,0003 , el del agua es 1,33, y los vidriados transparentes suelen tener entre 1,5 y 1,66.
Además, el cambio de trayectoria es más acentuado para las frecuencias cercanas a los azules y violetas y menor para los rojos, por lo que se obtiene como resultado una dispersión de la luz que hace que un objeto transparente pase a ser translúcido.
Este fenómeno es el que hace que veamos un lápiz quebrado cuando lo metemos en un vaso de agua y también es el responsable del arco iris que se forma por la refracción que se produce en las gotas de agua suspendidas en las nubes.
Algunas porcelanas son translúcidas porque hay transmisión difusa, es decir la luz se dispersa al atravesar la porcelana debido a la refracción y también por la presencia de partículas coloidales.
El ojo humano solo recibe la luz reflejada por los objetos.
En general, cuando un rayo incide de forma oblicua sobre una superficie, parte de la luz se refleja y parte de la luz penetra en el objeto y se transmite o se absorbe. Por ejemplo, en una cerámica con vidriado transparente, percibimos la luz reflejada por la pasta opaca que está debajo del esmalte junto a la luz reflejada por la superficie del vidriado.
Dependiendo del ángulo de incidencia de la luz, la reflexión en la superficie del vidriado será mayor o menor de forma que percibimos que el vidriado tiene brillo a la vez que sabemos que es transparente porque vemos la superficie de la pasta que está debajo.
La reflexión de la luz que se produce en la superficie la percibimos como brillo o como mate, con toda la gama de valores intermedios como semi-brillo, satinado, semi-mate, etc… dependiendo de si los rayos reflejados son paralelos o siguen distintas direcciones.
Las superficies de las pastas cerámicas, además de ser opacas, son mates (aunque la porcelana vitrificada suele ser satinada). Los esmaltes pierden brillo y se hacen mates cuando en su superficie flotan pequeños cristales que hacen que la luz reflejada se disperse en distintas direcciones.
Los esmaltes transparentes con superficie rugosa se perciben como mates y además pierden transparencia y se vuelven translúcidos porque la transmisión de la luz se refracta en distintos planos no paralelos creando imágenes turbias.
Cuando los fotones de una frecuencia determinada se absorben por el vidriado o por la pasta cerámica, ese color desaparece del haz luminoso de forma que la luz reflejada que nos llega carece de ese color y percibimos el objeto con el color complementario al que se ha absorbido. Los distintos materiales solo absorben determinadas frecuencias de luz, propias de cada material, cuyos fotones tienen la energía exacta que se necesita para que ciertos electrones se exciten.
Un esmalte transparente coloreado de azul con óxido de cobalto, por poner un ejemplo, transmite la luz de todas las frecuencias visibles pero tiene ciertos elementos dispersos, que son cationes colorantes de cobalto, que absorben la luz de las frecuencias complementarias al azul. Es decir, se trata de una transmisión selectiva de la luz.
Si la cantidad de cationes disueltos en el vidriado es muy alta el vidriado adquiere un color más intenso y se vuelve opaco aunque este tipo de opacidad podemos decir que tiene “profundidad” ya que la luz no absorbida se sigue transmitiendo a través del vidriado. Realmente seguimos viendo la pasta que hay debajo del esmalte coloreado por cationes colorantes, pero con un color intenso que no nos permite distinguirla.
Desde el punto de vista de la luz, los vidriados cerámicos siempre son transparentes ya que la matriz vítrea que los compone es transparente, y la opacidad se produce por la presencia de heterogeneidades dentro de la matriz.
Estas heterogeneidades consisten en cristales de distintos tipos, o burbujas atrapadas, o inmiscibilidad de los componentes del vidriado, y provocan refracciones, reflexión difusa y dispersión de la luz.
La opacidad aumenta cuanto mayor sea la diferencia entre los índices de refracción de la matriz vítrea y de las heterogeneidades y cuanta mayor sea la cantidad presente de éstas en la matriz.
Un ejemplo característico son los esmaltes coloreados con pigmentos, que son pequeños cristales que flotan en la matriz vítrea y hacen que el vidriado sea opaco además de darle color. Otro ejemplo son los esmaltes opacos blancos que son vidriados transparentes a los que se añaden pequeñas partículas cristalinas que reflejan de forma difusa toda la luz que les llega.
Otro fenómeno interesante que acentúa la opacidad es la difracción.
Cuando la luz choca con el borde de un objeto parte de ella sigue su camino rectilíneo y parte de ella se desvía formando una penumbra a continuación de la zona de sombra.
Si la luz pasa a través de una rendija, los rayos difractados interfieren con los rayos que mantienen su trayectoria rectilínea y se producen interferencias entre las ondas que se traducen en aros concéntricos irisados. En este caso no hay realmente dispersión de la luz sino interferencias entre ondas de la misma frecuencia que se esparcen en distintas direcciones.
En la difracción, el color rojo es el que más se desvía por ser el que menos energía tiene (al contrario que ocurre en la dispersión por refracción donde el rojo es el que menos se desvía), por lo que la luz que se transmite sin desviarse y también la luz reflejada adquieren color azulado.
Podemos comprobar la difracción observando la luz de una farola mientras cerramos los párpados para ver a través de las pestañas, apareciendo una especie de halo de colores alrededor del foco. En los esmaltes también se produce difracción cuando la luz pasa por los bordes de las heterogeneidades (cristales, burbujas, etc..).
Cuando un esmalte tiene poca opacidad (poca cantidad de heterogeneidades y con poca diferencia entre índices de refracción), la difracción es la responsable de la llamada opalescencia.
Se trata de un dicroísmo con irisaciones ya que los rayos de luz transmitida tienen un color azulado mientras que los rayos difractados perpendiculares a la transmisión de la luz tienen color rojizo. La opalescencia aumenta cuanto más grandes son las partículas y se hace visible contra un fondo oscuro si observamos el vidriado desde un plano lateral a la luz incidente.
Cuando los cristales que flotan en el vidriado tienen una tamaño muy pequeño, con tamaños inferiores a 1 micra hablamos de partículas coloidales y en estos casos las pequeñas partículas se convierten en pequeños focos de luz porque la difracción se produce en todas las direcciones. El fenómeno de la opalescencia se produce, por tanto, también con las partículas coloidales, pero ya no se llama así.
El esparcimiento de la luz provocado por la dispersión al incidir la luz sobre partículas coloidales fue observado por primera vez por Faraday, pero Tyndall lo estudió en detalle en 1868. Por este motivo se denomina este fenómeno “efecto Tyndall” o “efecto Faraday-Tyndall” en lugar de llamarse opalescencia.
Cuando el coloide tiene un tamaño superior a la longitud de onda de la luz (dispersión de Mie), se convierte en un foco esparciendo la luz en todas las direcciones y mantiene una mayor intensidad en la trayectoria de la luz incidente. Este es el caso de los pequeños cristales de estaño y zirconio cuando se utilizan en esmaltes blancos opacos.
Cuando el coloide tiene un tamaño menor a la longitud de onda de la luz también se produce un esparcimiento de la luz en todas las direcciones pero predominan las frecuencias azules y el resto de colores, que forman aparentemente luz blanca aunque en realidad predominan los rojos, siguen la trayectoria del rayo de luz incidente.
Las partículas coloidales que flotan en la atmósfera, debido al efecto Tyndall, hacen que el cielo sea azul, y se torne rojizo en el atardecer, cuando observamos la trayectoria horizontal de la luz.
En cerámica, el efecto Tyndall en partículas con tamaño inferior a la longitud de onda de la luz (también conocido como dispersión de Rayleigh) es el responsable de los azules Chun producidos por pequeños cristales en los esmaltes y con alta probabilidad es también responsable de otros azules característicos como el azul del velo de boro, o los azules que se logran en esmaltes en reducción con el titanio y con el cobre. En todos estos azules, una característica común es que el color azul se aprecia mucho mejor cuando el vidriado está sobre fondo oscuro.
Otra interacción interesante de la luz se produce con los objetos y las partículas metálicas.
La estructura de las partículas metálicas se caracteriza por formar cristales en los que los electrones tienen mucha movilidad formando una nube alrededor de los núcleos de los metales.
Esa nube provoca que la luz incidente se refleje dando lugar al característico brillo metálico. Sin embargo, algunos fotones logran atravesar la capa de electrones libres y algunas frecuencias son absorbidas produciendo las distintas tonalidades de los metales. Así vemos el amarillo dorado del oro, el gris plateado de la plata o el color rojizo metálico del cobre.
En cerámica, se denominan lustres a estos colores de los metales que se logran con distintas técnicas como los “reflejos metálicos” o los “lustres resinados”, entre otros.
Cuando las partículas metálicas tienen un tamaño menor que 100 nm se llaman nanopartículas y se comportan de forma distinta a las partículas metálicas más grandes ya que son capaces de absorber fotones con frecuencias totalmente distintas debido al fenómeno llamado “resonancia del plasmón superficial”.
Las nanopartículas metálicas tienen una nube de electrones muy pequeña y cuando incide la luz esa nube se mueve oscilando desde un lado de la nanopartícula hasta el lado opuesto al ritmo de la frecuencia de la luz (esto se denomina plasmón).
Dependiendo del metal, la oscilación de la nube es más débil o más fuerte. El oro, la plata y el cobre permiten mucha intensidad en la oscilación.
Dependiendo del tamaño y forma de la nanopartícula, hay una frecuencia de la luz que provoca que esa oscilación aumente enormemente debido a que los electrones de la nube entran en resonancia con el fotón. Es entonces cuando se produce la absorción del fotón provocando que la nanopartícula sea observada con el color complementario del absorbido. Si variamos el tamaño y la forma de las nanopartículas modificaremos su color.
En cerámica, el ejemplo más conocido se produce con las nanopartículas del cobre, que se perciben de un color rojo brillante (rojo sangre de buey), aunque también hay colores sorprendentes producidos por nanopartículas de oro y de plata.
Solo por aclarar, un coloide es una partícula con tamaño inferior a 1 micra, o sea inferior a 1000 nanómetros. Las nanopartículas son “coloides” pero con tamaños inferiores a 100 nanómetros.
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