O que é o vidro de quartzo? Matérias-primas, propriedades e aplicações

Laboratórios e fábricas em todo o mundo dependem de um material que a maioria das pessoas ignora — mas, sem ele, a ciência de precisão ficaria paralisada em seus momentos mais críticos.

Os produtos de vidro de quartzo fundido incluem recipientes, tubos, cadinhos e componentes ópticos fabricados a partir de dióxido de silício amorfo, que se distinguem do vidro comum por sua extraordinária estabilidade térmica, ampla transmissão espectral e inércia química inigualável. Em áreas como a fabricação de semicondutores, a química analítica, a pesquisa em altas temperaturas e os sistemas fotônicos, essa classe de materiais é utilizada onde não existe nenhum substituto comercialmente viável.

A origem da matéria-prima é a variável de maior impacto no desempenho do quartzo fundido. O fato de um tubo de forno de difusão resistir a ciclos de temperatura de 1.100 °C ou de uma cubeta para UV transmitir de forma confiável na faixa de 200 nm depende quase inteiramente das decisões tomadas na fase de aquisição da sílica e de fusão — muito antes de os artigos de vidro chegarem à bancada do laboratório.

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Duas matérias-primas por trás dos produtos de vidro de quartzo

Entre todas as variáveis que determinam o desempenho do quartzo fundido, a origem da matéria-prima tem o peso mais decisivo, estabelecendo limites máximos absolutos de pureza, comportamento óptico e resistência térmica antes mesmo do início de qualquer etapa de moldagem ou acabamento.

Toda a categoria de utensílios de vidro de quartzo fundido remonta a duas fontes de matéria-prima fundamentalmente distintas: o cristal de quartzo natural e o dióxido de silício sintético. Ambas produzem uma estrutura amorfa e não cristalina de SiO₂ após a fusão; no entanto, as diferenças nos perfis de impurezas, no teor de hidroxila e nos níveis de pureza alcançáveis entre as duas são substanciais o suficiente para classificá-las em níveis de desempenho distintos para aplicações exigentes.

Cristal de quartzo natural — Origem, pureza e restrições estruturais

O cristal de quartzo natural se forma ao longo de escalas de tempo geológicas por meio de processos hidrotérmicos, com os depósitos de maior qualidade concentrados no Brasil, em Madagascar e em algumas regiões da China. Os cristais extraídos e selecionados para uso óptico e industrial são classificados como “lascas” — fragmentos grandes e visualmente transparentes, com inclusões mínimas — e representam apenas uma pequena fração da produção total de minério de quartzo.

A pureza em SiO₂ do quartzo natural utilizado na fabricação de artigos de vidro geralmente varia entre 99,9% e 99,99%, sendo que a fração restante é ocupada por impurezas substitutivas em traços, incluindo alumínio (Al³⁺), ferro (Fe²⁺/Fe³⁺), titânio (Ti⁴⁺) e lítio (Li⁺). Esses elementos penetram na rede cristalina durante a cristalização geológica e não podem ser totalmente removidos por meio de classificação física ou lavagem ácida padrão. Em concentrações tão baixas quanto algumas partes por milhão, as impurezas de alumínio e de metais alcalinos reduzem a viscosidade em altas temperaturas e introduzem bandas de absorção na faixa do UV, o que limita diretamente o limite máximo de desempenho do quartzo fundido natural em aplicações de alta pureza e ópticas.

O quartzo natural também apresenta uma característica estruturalmente significativa: a cristalinidade. Em seu estado bruto, o quartzo é um sólido cristalino com uma rede Si–O–Si bem ordenada. A fusão dessa estrutura cristalina a temperaturas acima de 1.710 °C a converte na rede vítrea amorfa e desordenada que define o quartzo fundido — uma transformação que é irreversível em condições normais de processamento.

Sílica sintética — Explicação sobre a deposição química de vapor e a fusão por chama

A sílica fundida sintética contorna totalmente as restrições geológicas relacionadas às impurezas, ao produzir dióxido de silício a partir de precursores químicos de alta pureza. Duas vias principais de fabricação são utilizadas em escala industrial, e cada uma delas produz um material com teor distinto de hidroxila (OH), o que tem consequências diretas para o desempenho óptico e térmico.

O método de deposição química de vapor (CVD) — especificamente a hidrólise por chama — envolve a combustão do tetracloreto de silício (SiCl₄) ou de compostos organossilícicos, como o octametilciclotetrasiloxano (OMCTS), em uma chama de oxigênio-hidrogênio. A reação produz partículas ultrafinas de fuligem de SiO₂ que se depositam em um mandril giratório e, em seguida, são sinterizadas, formando uma peça bruta de vidro transparente. Esse processo resulta em purezas superiores a 99,9999% SiO₂, com níveis de impurezas metálicas medidos na faixa de sub-partes por bilhão. A chama de hidrogênio, no entanto, incorpora uma quantidade significativa de OH na rede cristalina do vidro, produzindo o que é classificado como sílica sintética “úmida” com concentrações de OH que variam normalmente entre 800 e 1.200 ppm.

O método de fusão por chama (tipo Verneuil) derrete pó de SiO₂ de alta pureza diretamente em um queimador de oxigênio-hidrogênio, consolidando o material em um lingote. Fusão elétrica no vácuo ou em atmosfera inerte — utilizada para a produção de sílica sintética “seca” — elimina a exposição ao hidrogênio e reduz o teor de OH para menos de 1 ppm. Essa diferença no teor de OH não é meramente superficial: A sílica com alto teor de OH absorve radiação infravermelha em aproximadamente 2.730 nm, tornando as variedades secas obrigatórias para aplicações ópticas no infravermelho próximo, enquanto as variedades úmidas oferecem transparência superior aos raios UV devido aos seus níveis reduzidos de impurezas metálicas.

Quartzo fundido x sílica fundida — a diferença que realmente importa

Os termos “quartzo fundido” e “sílica fundida” aparecem de forma intercambiável em muitos catálogos de produtos; no entanto, no âmbito da ciência dos materiais e da fabricação de precisão, eles se referem a dois materiais distintos tanto do ponto de vista químico quanto em termos de desempenho. É essencial esclarecer essa distinção antes de especificar qualquer componente para uma aplicação exigente.

Quartzo fundido é produzido pela fusão de cristal de quartzo natural. Sua pureza é limitada pelos níveis de impurezas geológicas, seu teor de OH é moderado (normalmente 150–300 ppm) e seu limite de transmissão de UV situa-se em aproximadamente 250 nm devido à presença de absorvedores metálicos residuais. Sílica fundida, por outro lado, é produzido a partir de precursores sintéticos de SiO₂ e atinge purezas metálicas na faixa sub-ppb, com cortes de UV que se estendem até 150–180 nm dependendo do teor de OH e do grau.

Ambos os materiais compartilham a mesma estrutura de rede amorfa de SiO₂, o mesmo ponto de amolecimento aproximado de 1.665 °C e o mesmo coeficiente de expansão térmica de aproximadamente 0,55 × 10⁻⁶/°C. A diferença reside no desempenho espectral e no risco de contaminação — parâmetros que se tornam decisivos no processamento de wafers de grau semicondutor e na medição espectroscópica UV, onde mesmo traços de contaminação metálica ou um desvio no corte UV tornam um componente inaceitável.

Quartzo fundido x sílica fundida — Principais diferenças

Propriedade	Quartzo fundido (natural)	Sílica fundida (sintética)
SiO₂ Pureza (%)	99,9 – 99,99	99.9999+
Conteúdo de OH (ppm)	150 - 300	<1 (seco) / 800–1.200 (molhado)
Corte de UV (nm)	~250	~150-180
Impurezas metálicas	Baixo (faixa de ppm)	Ultrabaixo (abaixo de ppb)
Matéria-prima primária	Cristal de quartzo extraído	SiCl₄ / organossilano
Camada de aplicação típica	Industrial, laboratório geral	Semicondutores, óptica UV

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Propriedades físicas e químicas que diferenciam os utensílios de vidro de quartzo

Saber de que são feitos os produtos de vidro de quartzo é apenas metade da história — compreender as propriedades físicas e químicas mensuráveis decorrentes de sua estrutura amorfa de SiO₂ explica exatamente por que eles ocupam uma posição insubstituível sempre que os materiais à base de vidro são levados ao limite de seu desempenho.

Nenhuma propriedade isolada é responsável pela ampla adoção do quartzo fundido em setores tão diversos. Em vez disso, é a combinação simultânea de extrema estabilidade térmica, ampla transmissão óptica que abrange do UV ao infravermelho próximo e resistência a meios quimicamente agressivos que torna essa classe de materiais categoricamente superior às alternativas de borossilicato e cal-soda em ambientes de alto desempenho. Cada propriedade reforça a importância das demais e, juntas, elas definem o escopo de desempenho dentro do qual os produtos de vidro de quartzo operam.

Desempenho térmico — Temperatura de operação e resistência ao choque térmico

O quartzo fundido suporta operação contínua em temperaturas de até aproximadamente 1.100 °C, com um ponto de amolecimento de 1.665 °C — valores que o colocam muito além do alcance do vidro borossilicato, que amolece em torno de 820 °C. Picos de temperatura de curta duração até 1.300 °C são toleráveis sem deformação catastrófica, desde que as cargas mecânicas sejam mínimas.

A resistência ao choque térmico do quartzo fundido decorre diretamente de seu coeficiente de expansão térmica (CTE) excepcionalmente baixo, de aproximadamente 0.55 × 10-⁶/°C — cerca de seis vezes menor do que o do vidro borossilicato, que é de 3,3 × 10⁻⁶/°C, e quase quatorze vezes menor do que o do vidro de soda e cal padrão, que é de 7,5 × 10⁻⁶/°C. Quando um tubo de quartzo fundido é retirado de um forno operando a 1.000 °C e exposto ao ar ambiente, o gradiente térmico na parede gera tensões de tração proporcionalmente menores em comparação com qualquer alternativa comercial de vidro, tornando a fratura sob ciclos térmicos rápidos muito menos provável. Esse comportamento de baixo CTE é uma consequência estrutural da rede amorfa de Si–O–Si, que acomoda as variações de temperatura por meio da distorção da rede, em vez da expansão da rede cristalina.

Em aplicações com fornos tubulares, os tubos de reação de quartzo são submetidos rotineiramente a ciclos entre a temperatura ambiente e 1.000 °C várias vezes ao dia ao longo de uma vida útil medida em anos — um perfil de exigência que destruiria componentes de borossilicato em questão de dias.

Transparência óptica nas faixas de comprimento de onda UV, visível e infravermelho

A janela de transmissão espectral do quartzo fundido se estende de aproximadamente De 150 nm no ultravioleta de vácuo a 3.500 nm no infravermelho médio, abrangendo uma faixa que nenhum vidro de óxido comum chega nem perto de atingir. O vidro borossilicato, em comparação, torna-se praticamente opaco abaixo de aproximadamente 310 nm, tornando-o impróprio para espectroscopia UV, fotoquímica UV e óptica de laser de UV profundo.

Nessa faixa, a eficiência de transmissão depende fundamentalmente do teor de OH. Os tipos de sílica sintética úmida transmitem com eficiência na faixa do UV até 160–180 nm, devido ao seu teor ultrabaixo de impurezas metálicas, mas apresentam uma forte banda de absorção centrada em aproximadamente 2.730 nm causada pelas vibrações de alongamento de Si–OH. Os tipos de sílica sintética seca suprimem essa banda ao reduzir o teor de OH para menos de 1 ppm, permitindo a transmissão de banda larga no infravermelho próximo, em troca de um corte de UV ligeiramente elevado. Escolher o tipo com o teor correto de OH para uma faixa específica de comprimento de onda não é, portanto, um ajuste — é uma decisão fundamental de especificação. Para a espectrofotometria UV-Vis abaixo de 250 nm, apenas a sílica fundida sintética de alta pureza, com baixo teor de impurezas metálicas, proporciona uma transmissão da linha de base confiável e reproduzível.

O quartzo fundido natural ocupa uma posição intermediária, transmitindo adequadamente em toda a faixa do visível e até o UV próximo, o que o torna adequado para trabalhos em laboratório em altas temperaturas, nos quais o desempenho óptico é secundário em relação à resistência térmica e química.

Resistência química a ácidos, solventes e fluidos de processo de alta pureza

O quartzo fundido apresenta resistência excepcional a praticamente todos os ácidos inorgânicos em temperaturas elevadas. Ácido clorídrico (HCl), ácido sulfúrico (H₂SO₄), ácido nítrico (HNO₃) e ácido fosfórico (H₃PO₄) — incluindo formas concentradas a temperaturas próximas a 300 °C — produzem dissolução superficial ou lixiviação insignificantes de contaminantes dos recipientes de quartzo. Essa inércia química decorre da rede Si–O–Si totalmente reticulada, que não apresenta ligações facilmente hidrolisáveis em meios aquosos ácidos na maioria das condições laboratoriais.

A principal vulnerabilidade química do quartzo fundido é o ataque por ácido fluorídrico (HF) e por soluções alcalinas concentradas e quentes (NaOH, KOH) a temperaturas superiores a aproximadamente 100 °C. O HF reage diretamente com a sílica, formando um composto solúvel ácido hexafluorosilícico (H₂SiF₆)¹, enquanto os álcalis quentes promovem a dissolução da rede catalisada por hidróxido. Ambos os mecanismos de ataque são bem compreendidos e são levados em conta nos protocolos de laboratório — o quartzo nunca é especificado para fluxos que contenham HF ou para procedimentos de digestão fortemente básicos.

Na análise de oligoelementos, a contribuição da contaminação proveniente das paredes dos recipientes de quartzo é ordens de magnitude menor do que a proveniente do vidro borossilicato, onde o boro, o sódio e o alumínio são lixiviados para soluções ácidas em concentrações mensuráveis. Para a preparação de amostras para ICP-MS e ICP-OES, essa diferença na contribuição do branco de fundo é diretamente mensurável e analiticamente significativa.

Propriedades térmicas e químicas dos artigos de vidro de quartzo

Propriedade	Quartzo fundido	Vidro de borosilicato	Copo de soda lima
Temp. de uso contínuo (°C)	1,100	500	300
Ponto de amolecimento (°C)	1,665	820	730
CTE (×10-⁶/°C)	0.55	3.3	7.5
Corte de UV (nm)	~250 (natural) / ~150 (sintético)	~310	~320
Resistência HF	Ruim	Ruim	Ruim
Resistência a ácidos a altas temperaturas	Excelente	Bom	Moderado
Resistência a álcalis quentes	Ruim	Moderado	Ruim

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Vidro de quartzo versus vidro borossilicato — uma comparação propriedade a propriedade

O vidro borossilicato representa a maior parte do material de vidro de laboratório em geral em termos de volume; no entanto, o quartzo fundido vem substituindo-o de forma consistente sempre que os limites de temperatura, transmissão espectral ou contaminação excedem os limites de capacidade do borossilicato.

Teto térmico representa o diferencial mais imediato. O vidro borossilicato amolece a aproximadamente 820 °C e é classificado para uso contínuo até cerca de 500 °C nas qualidades padrão de laboratório. Os artigos de vidro de quartzo suportam uso contínuo a 1.100 °C e resistem à exposição de curta duração a 1.300 °C — uma margem térmica mais do que o dobro da do borossilicato. Essa diferença não é incremental; é categórica, separando os dois materiais em domínios de aplicação distintos em qualquer processo operando acima de 600 °C.

Transmissão espectral apresenta uma diferença igualmente decisiva. O vidro borossilicato transmite adequadamente a luz visível e a luz do UV próximo, mas torna-se opaco abaixo de aproximadamente 310 nm. Qualquer aplicação que exija transmissão de UV — espectrofotometria abaixo de 300 nm, fotocatálise UV, óptica de laser excimer — exige quartzo fundido ou sílica fundida sintética, para os quais o borossilicato não oferece nenhum substituto funcional.

Pureza química e comportamento de lixiviação Conclua a comparação. O vidro borossilicato libera concentrações mensuráveis de boro, sódio e silício em soluções ácidas quentes — uma fonte de contaminação inaceitável na análise de oligoelementos em níveis de concentração inferiores a ppb. O quartzo fundido contribui com uma contaminação iônica insignificante mesmo nos meios ácidos mais agressivos, mantendo a integridade da amostra em fluxos de trabalho analíticos nos quais a supressão do branco de fundo é um objetivo analítico primordial.

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Formas comuns de artigos de vidro de quartzo e suas características estruturais

O quartzo fundido é transformado em uma variedade de geometrias padronizadas de recipientes e componentes, cada uma delas projetada para atender a requisitos funcionais específicos, e não a convenções estéticas.

• Cadinhos de quartzo são recipientes abertos, de paredes espessas, cilíndricos ou cônicos, utilizados para fusão em alta temperatura, calcinação e fusão de materiais. A espessura da parede varia normalmente de 2 a 5 mm, dependendo do volume e da carga térmica, com volumes que vão de 10 mL a vários litros nas versões para laboratório.

• Béqueres e frascos de quartzo Apresentam o mesmo formato dos utensílios de laboratório padrão de borossilicato, mas são fabricados com tolerâncias mais rigorosas quanto à uniformidade das paredes e acabamentos de borda polidos a fogo, a fim de minimizar a liberação de partículas. As variantes de fundo plano e fundo redondo são utilizadas para digestão ácida e preparação de soluções.

• Tubos de quartzo constituem uma das formas de produto de maior volume, produzidas em diâmetros externos que variam de 1 mm a mais de 300 mm e com espessuras de parede calibradas para serviços de pressão e térmicos. Tubos retos, seções curvadas e conjuntos flangeados são todos derivados de tubos trefilados ou fundidos por centrifugação.

• Barras, discos e placas de quartzo funcionam como componentes de isolamento estrutural, óptico e elétrico, e não como recipientes. As hastes atuam como elementos de agitação ou suportes para suscetores; os discos e placas servem como janelas, substratos e placas de cobertura em conjuntos de fornos e reatores.

• Pratos de evaporação de quartzo apresentam perfis rasos e de grande diâmetro, otimizados para a evaporação de solventes e a dissolução ácida de amostras sólidas em temperaturas elevadas. Sua elevada relação superfície/volume acelera a evaporação sob aquecimento controlado.

Essas formas compartilham uma característica estrutural marcante: a ausência de qualquer ordem cristalina na matriz de vidro. Independentemente da forma, todos os componentes de quartzo fundido são amorfos, isotrópicos e isentos de limites de grãos que, de outra forma, criariam pontos de ataque preferencial, tanto térmico quanto químico.

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Aplicações de artigos de vidro de quartzo na fabricação de semicondutores

A fabricação de semicondutores submete os materiais a uma combinação de temperaturas extremas, requisitos de pureza ultra-alta e exposição a substâncias químicas agressivas, o que elimina praticamente todas as alternativas ao vidro — colocando o quartzo fundido no centro estrutural e químico da infraestrutura moderna de processamento de wafers.

Em uma fábrica de pastilhas de silício, os utensílios de vidro de quartzo e os componentes à base de quartzo estão presentes em praticamente todas as etapas de processamento térmico e químico úmido. Os requisitos de pureza nesse contexto não são do tipo laboratorial, mas sim do tipo semicondutor: contaminação metálica, mesmo em concentrações da ordem de um dígito em partes por trilhão nas superfícies das pastilhas podem alterar o tempo de vida dos portadores de carga, introduzir defeitos no óxido de porta e reduzir o rendimento dos dispositivos. Todo componente de quartzo em contato com as pastilhas ou com os gases de processo deve, portanto, atender a especificações rigorosas que vão além do quartzo fundido industrial padrão, abrangendo as classificações de grau semicondutor e grau eletrônico.

Tubos e conjuntos de barquinhas para fornos de difusão no processamento de wafers

Os tubos para fornos de difusão representam a aplicação de maior volume e com maiores exigências térmicas dos produtos de vidro de quartzo na fabricação de semicondutores. Esses tubos de grande diâmetro — normalmente com diâmetro externo de 150 mm a 300 mm e comprimentos de até 1.500 mm — abrigam as pastilhas de silício durante a oxidação térmica, a difusão de dopantes, e de recozimento realizados entre 800 °C e 1.200 °C em atmosferas controladas de oxigênio, nitrogênio ou hidrogênio.

O quartzo utilizado nos tubos de difusão para semicondutores deve atender às especificações de pureza de grau eletrônico, com teor total de impurezas metálicas inferior a 20 partes por bilhão e, em fábricas de ponta, inferior a 5 ppb para elementos críticos, incluindo ferro, cobre, níquel e alumínio. Um único átomo de ferro que se difunde da parede contaminada de um tubo de forno para uma pastilha de silício a 1.000 °C cria um estado de armadilha de nível profundo que degrada de forma mensurável o tempo de vida dos portadores minoritários — um defeito diretamente atribuível à qualidade do material. Os suportes para wafers (transportadores que mantêm os wafers em arranjos verticais ou horizontais dentro do tubo) são fabricados de forma semelhante a partir de quartzo fundido de alta pureza, com geometrias de ranhuras usinadas com tolerâncias na ordem de mícrons para garantir espaçamento uniforme entre os wafers e distribuição reproduzível do fluxo de gás.

A vida útil dos tubos dos fornos nas fábricas de produção é cuidadosamente monitorada, pois ciclos térmicos prolongados induzem gradualmente a desvitrificação — um fenômeno de cristalização superficial observável como uma opacidade leitosa —, o que aumenta o risco de liberação de partículas e leva à substituição programada dos tubos.

Bandejas de gravação em bancada úmida e recipientes de processo resistentes a produtos químicos

As estações de processamento químico úmido — conhecidas na fabricação de semicondutores como “bancadas úmidas” — utilizam tanques de imersão, barragens de transbordamento e bandejas de transferência fabricadas em quartzo fundido para submeter as pastilhas a banhos químicos sequenciais. O Limpeza de RCA² A sequência, desenvolvida nos Laboratórios RCA e que ainda hoje é fundamental para a preparação da superfície do silício, submete as pastilhas a ciclos com SC-1 (NH₄OH/H₂O₂/H₂O), SC-2 (HCl/H₂O₂/H₂O) e soluções diluídas de HF a temperaturas entre 25 °C e 80 °C.

Os tanques e suportes de quartzo suportam toda a sequência química RCA sem causar contaminação iônica às soluções de limpeza — um requisito que descarta a maioria dos materiais poliméricos para tanques em temperaturas elevadas, devido à liberação de gases e à lixiviação de aditivos metálicos. Em misturas de ácido sulfúrico/peróxido de hidrogênio (SPM ou solução piranha) a temperaturas superiores a 120 °C, o quartzo demonstra resistência química superior em comparação com o PTFE, que amolece e se deforma sob estresse térmico e oxidativo prolongado nessas condições. A rigidez mecânica do quartzo na temperatura de operação também mantém a precisão dimensional na geometria dos encaixes dos porta-wafers, evitando o contato entre wafers durante a imersão química — um contato que causaria contaminação cruzada e perda de rendimento.

Os componentes de bancadas úmidas de quartzo para salas limpas são produzidos com acabamentos superficiais especificados em valores Ra, normalmente inferiores a 0,8 μm, para minimizar a adesão de partículas e facilitar a lavagem química completa entre as etapas do processo.

Componentes de quartzo em câmaras de CVD e de crescimento epitaxial

Os processos de deposição química de vapor e de crescimento epitaxial exigem componentes de quartzo que, simultaneamente, suportem altas temperaturas, gases precursores de deposição corrosivos e o requisito de contaminação metálica zero da camada em crescimento. Tubos de reação de quartzo, tubos de revestimento e componentes de suscetores são utilizados em reatores de CVD de baixa pressão (LPCVD), CVD de pressão atmosférica (APCVD) e reatores epitaxiais de silício que operam entre 600 °C e 1.200 °C.

Nos sistemas LPCVD que depositam nitreto de silício a partir de diclorossilano (SiH₂Cl₂) e amônia (NH₃), ou que depositam polissilício a partir de silano (SiH₄), o tubo de quartzo funciona como o invólucro de reação principal. O tubo deve permanecer quimicamente inerte em relação aos precursores de deposição, aos gases veiculares e aos produtos químicos utilizados na gravação reversa incluindo cloro e HCl utilizados para a limpeza in situ entre os ciclos de deposição. Qualquer reação entre a parede do tubo e os produtos químicos do processo introduziria óxido de silício ou espécies contaminantes na camada em formação. Nas câmaras de crescimento epitaxial, os tubos revestidos de quartzo e as campânulas proporcionam um recinto limpo e termicamente transparente ao redor do suscetor e do substrato, permitindo que as lâmpadas de aquecimento infravermelho — normalmente de halogênio-tungstênio — transmitam energia através das paredes de quartzo com perda mínima por absorção.

Artigos de vidro de quartzo em aplicações de processos de semicondutores

Processo	Componente de quartzo	Temperatura de operação (°C)	Grau de pureza
Oxidação térmica	Tubo de difusão	900-1,100	Grau eletrônico
Difusão de dopante	Tubo do forno + barquinho para wafers	800-1,200	Grau eletrônico
Limpeza a úmido RCA	Tanque de imersão, suporte	25–80	Grau semicondutor
Faixa SPM	Recipiente de processo	120-150	Grau semicondutor
LPCVD	Tubo de reação	600-900	Grau de alta pureza
Crescimento epitaxial	Campânula, tubo de revestimento	900–1.200	Grau eletrônico

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Artigos de vidro de quartzo para química analítica e medições espectroscópicas

A química analítica impõe uma dupla exigência ao seu material de vidro: transparência espectral em toda a faixa de comprimentos de onda de medição e inércia química suficiente para preservar as concentrações dos analitos em níveis de ultra-traço — uma combinação que sempre leva os projetistas de instrumentos e desenvolvedores de métodos a optar pelo quartzo fundido.

A relação entre as propriedades ópticas e o desempenho analítico é direta e quantificável. Um recipiente que absorve radiação UV no comprimento de onda de medição introduz um erro sistemático em todas as leituras de absorvância; um frasco de digestão que libera silício, boro ou sódio em uma matriz ácida aumenta o branco analítico e degrada os limites de detecção. O quartzo fundido resolve ambos os problemas simultaneamente, o que explica sua obrigatoriedade na espectrofotometria UV e na preparação de amostras de oligoelementos — áreas em que a credibilidade analítica depende do comportamento de cada material em contato com a amostra.

Cubetas para espectrofotometria UV-Vis — Por que o quartzo de grau óptico é imprescindível

A espectrofotometria UV-Vis quantifica a concentração de espécies absorventes medindo a atenuação da luz que atravessa uma solução de amostra em comprimentos de onda que geralmente variam de 190 nm a 900 nm. A cubeta — a célula de amostra pela qual o feixe passa — deve ser transparente em toda essa faixa; qualquer absorção pelo próprio material da cubeta introduz um erro de linha de base que se propaga diretamente para todos os cálculos de concentração.

As cubetas de vidro óptico padrão apresentam transmissão adequada acima de aproximadamente 340 nm, abrangendo a faixa do visível e o UV próximo de comprimento de onda longo. Abaixo de 310 nm, o vidro borossilicato absorve tanta luz que se torna funcionalmente opaco, tornando as cubetas de vidro incompatíveis com medições de compostos aromáticos, ácidos nucleicos (pico de absorvância em 260 nm), proteínas (pico de absorvância em 280 nm) e uma ampla classe de íons inorgânicos com absorção por transferência de carga no UV. As cubetas de quartzo fundido mantêm um valor superior a Transmissão 80% a 200 nm em graus sintéticos de alta pureza, permitindo medições confiáveis em toda a faixa do UV profundo.

As cubetas analíticas padrão de quartzo são fabricadas com um comprimento de caminho óptico de 10.000 ± 0,010 mm, uma tolerância mantida por meio do esmerilhamento e polimento de precisão das janelas ópticas. Desvios em relação a esse comprimento de caminho se traduzem diretamente em erros proporcionais nos cálculos da lei de Beer-Lambert. As cubetas de sílica fundida sintética de grau óptico também garantem a homogeneidade do índice de refração em toda a abertura da janela, garantindo que os artefatos decorrentes do direcionamento do feixe não contribuam para a absorvância aparente — uma especificação irrelevante para cubetas de vidro, mas essencial para cubetas utilizadas com fontes de UV de alto brilho ou em aplicações quantitativas de biologia estrutural.

Recipientes de digestão e frascos de dissolução ácida para análise de oligoelementos

A análise de oligoelementos por ICP-MS e ICP-OES requer a dissolução da amostra em ácidos minerais — normalmente HNO₃ concentrado, HCl ou misturas de HNO₃/HCl — a temperaturas entre 80 °C e 250 °C, por períodos que variam de minutos a várias horas. O recipiente utilizado nessa etapa de digestão é o item mais suscetível à contaminação em todo o fluxo de trabalho analítico.

Os recipientes de digestão de vidro borossilicato liberam boro em concentrações de 50 a 500 μg/L em soluções de ácido nítrico quente, um nível de contaminação que é analiticamente significativo em amostras ambientais e biológicas nas quais o boro é, por si só, um analito. A lixiviação de sódio e alumínio dos recipientes de vidro aumenta ainda mais a complexidade da matriz e eleva o branco analítico para esses elementos. Os recipientes de quartzo fundido contribuem com silício para a solução (na forma de ácido silícico) em concentrações mensuráveis em meios ácidos quentes sem HF, mas o silício não é um analito na maioria dos fluxos de trabalho de ICP e é facilmente contabilizado. Para todos os demais elementos, a contribuição do material em branco da matriz de quartzo é insignificante, na faixa de menos de 1 μg/L, permitindo limites de detecção que não podem ser alcançados com recipientes de vidro ou mesmo de PTFE de alta qualidade para elementos nos quais os aditivos do PTFE causam contaminação.

Na análise geoquímica de amostras de rochas e minerais — um campo em que a determinação precisa de elementos de terras raras, metais de transição e elementos do grupo da platina em concentrações da ordem de ng/g é padrão — os recipientes de digestão de quartzo são considerados o material mínimo aceitável para a dissolução ácida em recipiente aberto à pressão atmosférica.

Desempenho dos artigos de vidro de quartzo em aplicações de medição analítica

Aplicativo	Principais requisitos	Especificações do quartzo	Limitação de materiais alternativos
UV-Vis na faixa de 200–280 nm	Transmissão >80%	Sílica sintética fundida	Borossilicato opaco <310 nm
UV-Vis na faixa de 280–900 nm	Transmissão >90%	Quartzo natural fundido	Vidro adequado, mas sem proteção contra raios UV
Digestão por ICP-MS	Branco <0,1 μg/L	Frasco de quartzo de alta pureza	O borossilicato libera B, Na e Al
Digestão por ICP-OES	Branco <1 μg/L	Erlenmeyer de quartzo	O PTFE é adequado, mas tem restrições de temperatura
Fluorescência em <300 nm	Fluorescência de fundo nula	Sílica fundida de grau UV	O vidro apresenta fluorescência na faixa do UV

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Vitraria de quartzo em síntese a altas temperaturas e pesquisa térmica

Além das aplicações em semicondutores e análises, surge um conjunto igualmente exigente de requisitos de materiais na síntese em alta temperatura, na análise térmica e na pesquisa fotoquímica — ambientes em que a combinação de temperaturas extremas, atmosferas reativas e restrições de acesso óptico elimina as alternativas convencionais de vidro de forma igualmente definitiva.

Os laboratórios de pesquisa que realizam síntese de materiais, caracterização térmica e experimentos fotoquímicos impõem condições de carga à vidraria que divergem das normas do setor de semicondutores e da área analítica, mas que não são menos severas. As temperaturas podem oscilar entre condições criogênicas e 1.200 °C em um único protocolo experimental; as composições atmosféricas variam de argônio e nitrogênio inertes, passando pelo oxigênio oxidante, até misturas de hidrogênio levemente redutoras; e os reatores fotoquímicos exigem paredes de recipientes transparentes aos raios UV que, ao mesmo tempo, suportem tensões térmicas e químicas. O quartzo fundido atende a essa convergência de exigências em todos os três contextos.

Aplicações de fornos tubulares e cadinhos na síntese de materiais

Os fornos tubulares representam a principal ferramenta de processamento térmico na química do estado sólido, na ciência cerâmica e na síntese de nanomateriais. Um forno tubular horizontal padrão acomoda um tubo de reação de quartzo fundido com diâmetro externo de 50 a 100 mm e comprimento aquecido de 600 a 1.200 mm, pelo qual fluem atmosferas gasosas controladas durante a síntese, recozimento ou experimentos de transformação de fase a temperaturas que variam tipicamente entre 400 °C e 1.100 °C.

Os tubos de reação de quartzo suportam operação contínua a 1.100 °C em atmosferas oxidantes (O₂, ar), inertes (Ar, N₂) e levemente redutoras (5% H₂/N₂) sem reação mensurável com a fase gasosa, o que os torna compatíveis com a esmagadora maioria dos protocolos de síntese em estado sólido. Os nanotubos de carbono produzidos por deposição química de vapor, os pós de óxido metálico sintetizados por decomposição térmica e os materiais de película fina recozidos sob pressões parciais controladas dependem, todos, da integridade do tubo de quartzo nessas condições. Um cadinho de quartzo colocado dentro desse tubo serve como recipiente imediato para as matérias-primas reativas, isolando a amostra da parede do tubo e permitindo o acompanhamento gravimétrico das variações de massa durante reações induzidas termicamente.

Os cadinhos de quartzo para síntese em alta temperatura são especificados com espessuras de parede de 2 a 4 mm e são fabricados em volumes que variam de 10 mL a 500 mL. Sua compatibilidade com temperaturas de até 1.100 °C abrange as faixas de fusão e sinterização da maioria dos óxidos, fosfatos e silicatos de metais de transição — embora os óxidos e fluoretos de metais alcalinos fundidos ataquem o quartzo de forma agressiva e exijam alternativas em platina ou alumina.

Instrumentos de análise térmica e recipientes de reação em ambientes de pesquisa

Os instrumentos de análise termogravimétrica (TGA) e calorimetria diferencial de varredura (DSC) requerem suportes de amostra e componentes de proteção que permaneçam dimensionalmente e quimicamente estáveis em toda a faixa de operação do instrumento, normalmente de −150 °C a 1.600 °C em configurações de alta temperatura. Tubos de amostra de quartzo fundido, tubos suspensos e proteções de balança são utilizados em instrumentos de TGA de alta temperatura tanto como componentes estruturais quanto como componentes de proteção.

Nos sistemas TGA, um tubo suspenso de quartzo mantém o cadinho com a amostra suspenso dentro da zona do forno, ao mesmo tempo em que isola o mecanismo da balança de precisão da corrente de gás quente. O tubo deve apresentar deformação por fluência nula à temperatura de operação — um requisito que exclui o uso de vidro borossilicato em temperaturas acima de 500 °C — e deve transmitir a atmosfera gasosa de maneira uniforme à amostra, sem que ocorra reação. Para experimentos de TGA realizados em atmosferas reativas, incluindo SO₂, vapor de HCl ou vapor de água em temperaturas elevadas, a inércia química do quartzo em relação a essas espécies (abaixo de aproximadamente 1.000 °C e excluindo HF) faz com que ele seja o material padrão para os tubos no projeto dos instrumentos.

Em experimentos realizados em autoclave de alta temperatura e em ampolas seladas — nos quais os materiais precursores são colocados em um tubo de quartzo selado sob pressão parcial e aquecidos para promover o crescimento de cristais ou a transformação de fase —, a ampola de quartzo funciona simultaneamente como recipiente de pressão, câmara de reação e célula de observação óptica, caso o experimento exija monitoramento in situ.

Vitraria de quartzo em sistemas de reações fotoquímicas e assistidas por UV

A pesquisa fotoquímica requer reatores nos quais uma fonte de luz UV ou visível ilumine uma solução em reação ou a fase gasosa com atenuação mínima pela parede do reator. Os reatores de quartzo fundido — vasos cilíndricos, reatores com poço de imersão e células de fluxo com janela plana — cumprem essa função em aplicações como fotocatálise, síntese assistida por UV e actinometria³ experimentos em que a dose exata de fótons aplicada ao volume de reação deve ser conhecida ou controlada.

Um reator com poço de imersão fabricado em quartzo fundido permite que uma lâmpada de vapor de mercúrio, que emite luz nos comprimentos de onda de 254 nm, 313 nm e 365 nm, ilumine o anel de reação circundante com absorção nas paredes insignificante — As perdas de transmissão através de uma parede de quartzo de 2 mm a 254 nm são normalmente inferiores a 5% para graus de alta pureza. Reatores de vidro borossilicato sob a mesma lâmpada transmitem energia praticamente nula a 254 nm, confinando a reação aos fótons que penetram no limite de 310 nm do borossilicato. Em experimentos de degradação fotocatalítica nos quais um catalisador de TiO₂ é ativado por fótons com comprimento de onda inferior a 365 nm, a escolha entre reatores de quartzo e de vidro produz taxas de fluência de fótons categoricamente diferentes na superfície do catalisador — uma variável que domina completamente os dados de taxa de reação.

Vitraria de quartzo em ambientes de pesquisa de alta temperatura e fotoquímica

Aplicativo	Componente de quartzo	Faixa de temperatura (°C)	Propriedade-chave utilizada
Síntese em estado sólido	Tubo de reação	400–1.100	Estabilidade térmica, inércia do gás
Fusão em cadinho de óxido	Cadinho	800–1.100	Inércia química, resistência ao choque térmico
Análise TGA	Tubo suspenso, protetor de equilíbrio	25–1.500	Ausência de fluência, inércia química
Síntese em ampola selada	Ampola com fusível	200-900	Tolerância à pressão, acesso óptico
Fotocatálise UV	Reator com poço de imersão	10-80	Transmissão de raios UV na faixa de 254–365 nm
Síntese fotoquímica	Célula de fluxo, recipiente com janela plana	0–100	Transparência UV de banda larga

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Aplicações ópticas e fotônicas de material de vidro de quartzo de precisão

Na vanguarda da engenharia óptica, onde os comprimentos de onda se estendem até o UV profundo e as densidades de potência desafiam o limiar de danos de todos os materiais, os componentes de sílica fundida de precisão assumem funções que nenhum outro vidro de óxido é capaz de desempenhar — funções nas quais a homogeneidade do índice de refração, a transmissão de UV e a resistência a danos induzidos por laser são especificadas com tolerâncias medidas em partes por milhão.

As aplicações fotônicas e a laser exigem propriedades dos materiais que vão além dos padrões padrão de laboratório. Homogeneidade do índice de refração em uma abertura de 100 mm deve ser controlada com precisão superior a 1 × 10⁻⁶ nas aplicações litográficas e interferométricas mais exigentes; birrefringência — uma anisotropia do índice de refração induzida por tensão — deve ser reduzida a menos de 2 nm/cm em componentes de grau óptico para evitar a degradação da polarização em sistemas a laser. Essas especificações só podem ser alcançadas com sílica fundida sintética produzida por meio de processos de hidrólise a chama ou CVD a plasma rigorosamente controlados, seguidos por ciclos de recozimento projetados para relaxar a tensão residual na rede cristalina do vidro.

Janelas para laser UV e óptica de condução de feixe em sistemas de alta potência

Os lasers excímeros que operam nos comprimentos de onda de ArF (193 nm) e KrF (248 nm) servem como principais fontes de luz na fotolitografia para a fabricação de circuitos integrados e na microfabricação UV. Todos os elementos ópticos no caminho de transmissão do feixe — janelas, divisores de feixe, lentes e homogeneizadores — devem transmitir nesses comprimentos de onda com absorção, dispersão ou absorção induzida mínimas decorrentes de exposição prévia aos raios UV.

Sílica fundida sintética com teor de OH superior a 800 ppm é especificado para ópticas de 193 nm e 248 nm, pois os graus com alto teor de OH apresentam resistência superior à compactação induzida por laser — uma densificação permanente da rede de vidro causada pela absorção de fótons de UV profundo, que altera o índice de refração e provoca o desvio do ponto focal ao longo de milhões de pulsos de laser. Com energias de pulso típicas de scanners de litografia de produção (aproximadamente 5–10 mJ/cm² por pulso a taxas de repetição de 4.000–6.000 Hz), fluências cumulativas superiores a 10⁹ J/cm² são aplicadas aos elementos das lentes ao longo de suas vidas úteis. Somente a sílica fundida sintética com alto teor de OH mantém a estabilidade do índice de refração e a transmissão nesses níveis de exposição — uma exigência que impulsionou o desenvolvimento de materiais especializados de sílica de grau litográfico, com especificações rigorosamente controladas quanto a impurezas e grupos OH, distintas das dos graus ópticos padrão.

Em sistemas de laser Nd:YAG pulsado que geram harmônicos nas longitudes de onda de 532 nm, 355 nm e 266 nm, janelas e lentes de sílica fundida substituem os componentes de vidro padrão nos estágios de geração e transmissão de harmônicos UV, nos quais o limiar de dano, e não a homogeneidade, representa o principal critério de seleção.

Fabricação de pré-formas de fibra óptica e guias de onda à base de sílica

A fibra óptica — o meio de transmissão que sustenta a infraestrutura global de telecomunicações — é fabricada a partir de pré-formas de sílica fundida de pureza ultra-alta, produzidas por processos de CVD. A pré-forma é uma haste cilíndrica de vidro com perfil de índice de refração projetado com precisão, transformada em fibra a temperaturas em torno de 2.000 °C para produzir filamentos de 125 μm de diâmetro externo, com diâmetros de núcleo de 8 a 62,5 μm, dependendo do tipo de fibra.

A sílica fundida utilizada nas pré-formas de fibra óptica para telecomunicações deve apresentar atenuação inferior a 0,18 dB/km a 1.550 nm — uma especificação que exige um teor total de OH inferior a 0,1 ppb na região do núcleo, uma vez que o harmônico de absorção de OH a 2.730 nm gera uma atenuação mensurável a 1.383 nm (o “pico da água”) que prejudica o desempenho da multiplexação densa por divisão de comprimento de onda (DWDM) em tipos de fibra legados. Os tipos modernos de fibra com baixo pico de água, especificados pela norma IEC 60793-2-50 Tipo B1.3, alcançam uma atenuação relacionada ao OH em 1.383 nm inferior a 0,4 dB/km por meio de processos de deposição de vapor externo (OVD) que excluem rigorosamente a umidade durante a deposição de fuligem e a sinterização.

Os tubos de substrato de quartzo — cilindros ocos de sílica fundida ultrapura — servem como mandril inicial para a fabricação de pré-formas por deposição química de vapor modificada (MCVD) e CVD de plasma (PCVD), processos nos quais camadas sucessivas de SiO₂ dopado são depositadas na parede interna do tubo antes de este se comprimir, formando uma haste de pré-forma sólida. As tolerâncias dimensionais desses tubos de substrato determinam diretamente a geometria do núcleo e do revestimento da fibra finalizada, com tolerâncias no diâmetro externo limitadas a ±0,5 mm e uniformidade da espessura da parede mantida em um nível superior a 1% ao longo de todo o comprimento do tubo.

Especificações de vidros de quartzo e sílica fundida em aplicações ópticas

Aplicativo	Faixa de comprimento de onda	Conteúdo de OH obrigatório	Principais especificações ópticas
Lentes para litografia ArF	193 nm	>800 ppm (teor úmido)	Δn < 1×10⁻⁶, birrefringência < 2 nm/cm
Óptica de laser KrF	248 nm	>600 ppm	Limite de dano a laser >5 J/cm²
4ª harmônica do Nd:YAG	266 nm	>400 ppm	Transmissão de UV >85%
Óptica de laboratório para UV-Vis	200–800 nm	150-400 ppm	Uniformidade de transmissão ±1%
Núcleo de fibra óptica para telecomunicações	1.310–1.550 nm	<0,1 ppb	Atenuação <0,18 dB/km a 1.550 nm
Tubo de substrato MCVD	N/A (estrutural)	<1 ppm (grau seco)	Tolerância do diâmetro externo (OD): ±0,5 mm

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Por que os recipientes de quartzo continuam sendo insubstituíveis em aplicações críticas

Nenhum outro material consegue reproduzir simultaneamente todo o perfil de desempenho do quartzo fundido nas dimensões térmica, óptica e química.

Os polímeros e os fluoroplásticos igualam ou superam a inércia química do quartzo em muitos ambientes ácidos, mas apresentam falhas acima de 260 °C e são opacos à radiação UV. As cerâmicas de alumina e zircônia suportam temperaturas operacionais mais elevadas, mas são opacas em todos os comprimentos de onda ópticos relevantes e são mecanicamente frágeis nas espessuras de parede exigidas pelas geometrias de tubos e recipientes. O vidro borossilicato atende admiravelmente à maioria das aplicações laboratoriais de rotina, mas atinge limites rígidos de desempenho a 500 °C, 310 nm e nos limites de contaminação em níveis de traços que o quartzo supera sem comprometer o desempenho.

A combinação de uma temperatura de serviço contínuo de 1.100 °C, transmissão espectral de 150 nm a 3.500 nm, contribuição de impurezas metálicas inferior a ppb e resistência a todos os ácidos minerais, exceto o HF, não é encontrada em nenhum outro material que possa ser transformado em tubos, recipientes e janelas ópticas em dimensões úteis. Essa convergência de propriedades — e não um único atributo — é a razão pela qual os produtos de vidro de quartzo fundido ocupam posições indispensáveis no processamento de wafers semicondutores, na medição analítica por UV, na pesquisa de materiais para altas temperaturas e em sistemas fotônicos de precisão. Nos casos em que essas propriedades são exigidas em conjunto, o quartzo fundido não é uma preferência: é uma condição essencial do material.

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Conclusão

Os produtos de vidro de quartzo fundido devem seu desempenho à rede amorfa de SiO₂ — uma estrutura que pode ser obtida tanto pela fusão do quartzo natural quanto pelo processo CVD de sílica sintética, cada um proporcionando pureza e características ópticas distintas, adequadas a diferentes níveis de aplicação. Sua estabilidade térmica até 1.100 °C, janela espectral que abrange do UV ao infravermelho e inércia química perante ácidos minerais definem, em conjunto, um perfil de desempenho inigualável por qualquer alternativa de vidro disponível no mercado. Nas áreas de fabricação de semicondutores, espectroscopia analítica, síntese em alta temperatura e fotônica a laser, essas propriedades se traduzem em requisitos funcionais que materiais alternativos não conseguem satisfazer simultaneamente — estabelecendo o quartzo fundido como uma classe de material insubstituível sempre que precisão, pureza e margem térmica convergem.

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PERGUNTAS FREQUENTES

Qual é a diferença entre o quartzo fundido e a sílica fundida?
O quartzo fundido é produzido pela fusão do cristal de quartzo natural, resultando em uma pureza de SiO₂ de 99,9–99,99%, com teor de OH de 150–300 ppm e um limite de corte de UV próximo a 250 nm. A sílica fundida é fabricada a partir de precursores químicos sintéticos, como o SiCl₄, atingindo purezas acima de 99,9999% com limites de corte de UV que se estendem de 150 a 180 nm. Ambas são SiO₂ amorfo com pontos de amolecimento e coeficientes de expansão térmica idênticos, mas seu desempenho espectral e suas características de contaminação diferem substancialmente.

A que temperatura os utensílios de vidro de quartzo se rompem?
O quartzo fundido suporta operação contínua a temperaturas de até 1.100 °C e tolera exposição de curta duração a aproximadamente 1.300 °C sem deformação catastrófica. Seu ponto de amolecimento é de 1.665 °C. O uso prolongado acima de 1.100 °C promove a desvitrificação — cristalização superficial que aumenta a fragilidade e a geração de partículas —, razão pela qual, em aplicações de semicondutores e de pesquisa, os tubos e recipientes são substituídos antes que a desvitrificação visível avance.

É possível usar material de vidro de quartzo com ácido fluorídrico?
Os recipientes de quartzo são incompatíveis com o ácido fluorídrico (HF) em qualquer concentração. O HF reage diretamente com a sílica, formando ácido hexafluorosilícico solúvel, o que corrói e afina rapidamente as paredes dos recipientes de quartzo. Para processos que envolvem HF, os recipientes de PTFE, perfluoroalcoxi (PFA) ou etileno-propileno fluorado (FEP) são as alternativas padrão.

Por que a espectrofotometria UV precisa usar cubetas de quartzo?
As cubetas de borossilicato e de vidro óptico tornam-se efetivamente opacas abaixo de aproximadamente 310 nm, absorvendo o feixe de medição e produzindo erros de linha de base elevados e instáveis. As cubetas de quartzo fundido transmitem acima de 80% a 200 nm, permitindo a medição precisa da absorvância de ácidos nucleicos a 260 nm, proteínas a 280 nm e compostos aromáticos em toda a faixa do UV profundo. Os tipos de sílica fundida sintética estendem a transmissão confiável até aproximadamente 180 nm para as aplicações espectroscópicas de UV mais exigentes.

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Referências: