ESTRUCTURA DE LOS MATERIALES

ESTRUCTURA DE LOS MATERIALES

1. Estructura cristalina y su consecuencia en las propiedades

   • Estado sólido que puede adoptar en la naturaleza los átomos, iones o moléculas, el cual se caracteriza por poseer un alto ordenamiento espacial.
     • Los cristalógrafos han demostrado que son necesarias solo siete tipos diferentes de celda unidad para crear todas las redes puntuales.
       • La mayor parte de estos siete sistemas cristalinos presentan variaciones de la celda unida básica.
         • Estas catorce celdas unidad estándar podían describir todas las estructuras reticulares posibles.
       • La celda unitaria es la mínima expresión estructural que permite la reproducción completa del sólido cristalino.
         • Hay cuatro tipos de celdas unidad:
           • Sencilla
           • Centrada en el cuerpo
           • Centrada en las caras
           • Centrada en la base
   • Si a un cristal, cuyas partículas pudieran ser observadas a simple vista, se le aplica operaciones de simetría (invertirlo, rotarlo a distintos ángulos, reflejarlo en un plano, etc.), entonces se encontrará que permanece intacto en todas las dimensiones del espacio.
   • Ejemplos
     • Sal
       • NaCl (sistema cúbico)
     • Dicromato de potasio
       • K2Cr2O7 (sistema triclínico)
     • Sulfuro de zinc
       • ZnS (sistema hexagonal)
     • Óxido de cobre
       • CuO (sistema monoclínico)

2. Materiales metalicos

   • Ferrosos
     • La mayoría de los elementos metálicos cristaliza siguiendo únicamente tres tipos de estructuras
       • Cúbica Centrada en el Interior (CCI).
         • Cúbica Centrada en las Caras (CCC).
           • Hexagonal Compacta (HC).
       • Ejemplos
   • No ferrosos
     • El hierro apenas es solo uno de todos los metales existentes en la naturaleza, por lo que las estructuras y aleaciones de los metales no ferrosos son más diversas.
       • No obstante, en condiciones normales la mayoría de los metales posee tres estructuras cristalinas establecidas por sus enlaces metálicos: hexagonal compacta (HCP), cúbica compacta (CCP) y cúbica centrada en el cuerpo (BCC).
         • Hexagonal compacta (HCP)
           • • Titanio (Ti). Cinc (Zn). Magnesio (Mg). Cadmio (Cd). Cobalto (Co). Rutenio (Ru). Osmio (Os). Metales alcalinotérreos (a excepción del bario y el francio).
         • Cúbica compacta (CCP)
           • • Aluminio (Al). Níquel (Ni). Plata (Ag). Cobre (Cu). Oro (Au). Rodio (Rh). Iridio (Ir).
         • Cúbica centrada en el cuerpo (BCC)
           • • Vanadio (V). Niobio (Nb). Cromo (Cr). Metales alcalinos. Tungsteno (W).
   • Puros y aleaciones
     • Enlace iónico.
       • Uno de los átomos debe ceder electrones y, por el contrario, el otro debe ganar electrones, es decir, se produce la unión entre átomos que pasan a ser cationes y aniones.
         • El ejemplo típico es el cloruro da sodio, en donde para formarse, el sodio debe ceder un electrón al cloro, quedando un sodio con carga neta positiva y un cloro con carga neta negativa.
     • Enlace covalente.
       • En este enlace cada uno de los átomos aporta un electrón. Los orbitales de las capas de valencia de ambos átomos se combinan para formar uno solo que contiene a los 2 electrones.
         • El enlace covalente también es característico del agua y el dióxido de carbono, por eso es por lo que es muy costoso, energéticamente hablando, romper estas moléculas en sus componentes básicos.
       • Tanto el enlace iónico como el covalente son los enlaces que caracterizan a los materiales duros, como lo son las cerámicas y las piedras preciosas.
     • Enlace metálico.
       • Los átomos de los metales tienen pocos electrones en su última capa, por lo general 1, 2 ó 3.
         • Estos átomos pierden fácilmente esos electrones y se convierten en iones positivos, por ejemplo, Na+, Cu2+, Mg2+.
           • Los electrones de valencia desprendidos de los átomos forman una nube de electrones que puede desplazarse a través de toda la red. De este modo todo el conjunto de los iones positivos del metal queda unido mediante la nube de electrones con carga negativa que los envuelve.
             • Este tipo de enlace es el que permite a los metales ser materiales, por lo que pueden ser relativamente de fácil maquinado, logrando piezas de muy diversas formas y tamaños. Además, es el que permite a muchos de estos materiales ser buenos conductores eléctricos.
     • Enlaces intermoleculares.
       • La distancia entre los átomos es más grande, se encuentran las fuerzas de London, Van der Waalls y los puentes de hidrógeno.
         • Estos enlaces son los que permiten cierta cohesión en sustancias como el agua o que le dan a ciertos materiales propiedades eléctricas (electrostática).
           • A diferencia de los otros enlaces, este es más común moléculas y no tanto para átomos.

3. Materiales no metalicos

   • Organicos
     • Los compuestos orgánicos son sustancias químicas que contienen carbono, formando enlaces covalentes carbono-carbono y/o carbono-hidrogeno. En muchos casos contienen oxígeno, nitrógeno azufre fosforo, boro halógeno y otros.
       • Donde sí se distinguen claramente unidades aisladas, es en los llamados materiales orgánicos, en donde aparece el concepto de entidad molecular (molécula), formada por átomos enlazados entre sí, pero en donde la unión entre las moléculas, dentro del cristal, es mucho más débil (cristales moleculares). Son generalmente materiales más blandos e inestables que los inorgánicos.
     • Estructura cristalina de un material orgánico: cinnamida
     • Estructura cristalina de una proteína: AtHal3
     • En las proteínas también existen unidades moleculares como en los materiales orgánicos, pero mucho más grandes. Las fuerzas que unen estas moléculas son también similares, pero su empaquetamiento en los cristales deja muchos huecos que se rellenan con agua no ordenada y de ahí su extrema inestabilidad.
   • Inorganicos
     • En la estructura cristalina (ordenada) de los materiales inorgánicos, los motivos repetitivos son átomos o iones enlazados entre sí, de modo que generalmente no se distinguen unidades aisladas y de ahí su estabilidad y dureza (cristales iónicos, fundamentalmente)
       • Estructura cristalina de un material inorgánico: el alfa-cuarzo
       • Los silicatos son una familia de Compuestos cuya unidad estructural es el SiO4 4- el cual tiene una geometría tetraédrica, en la cual un átomo de Silicio se encuentra en el centro y los átomos de Oxígeno en los vértices.
   • Polimeros
     • Los polímeros son materiales formados por moléculas muy largas.
     • Los átomos que forman la molécula están unidos entre sí por enlaces covalentes. Estos enlaces son direccionales lo que hace que la mayoría de las moléculas tiendan a ser rizadas.
       • Los enlaces direccionales hacen que la molécula no sea recta, sino que tienda a rizarse.
     • El material polímero está formado por una gran cantidad de moléculas de longitud diferente “enredadas” entre sí.

4. Ceramicos

   • Ceramicos no cristalinos
     • Los no cristalinos son el grupo más representativo dentro de los cerámicos. Se solidifican sin cristalizar.
     • Vidrio
       • El vidrio es semejante a un líquido subenfriado.
       • El vidrio esta formado por la unión de tetraedros de sílice y tiene una estructura reticular no cristalina.
       • Tipos
         • Vidrio de silicato
         • Vidrios no silicatados
           • Estructura tetraédrica.
         • Vidrios modificados
           • Los óxidos modificadores rompen la red de sílice cuando la relación oxigeno - sílice se incrementan significativamente.
   • Ceramicos cristalinos
     • Estructura Perovskite
       • Se encuentra en varios cerámicos eléctricos. En este tipo de celdas están 3 tipos de iones, que son iones de bario, iones de oxigeno y iones de titanio. La distorsión de la celda unitaria produce una señal eléctrica, lo que permite que ciertos titanatos sirvan como transductores.
     • Estructura del corindón
       • Es similar a una estructura hexagonal compacta. Algunos cerámicos tienen esta estructura como son: Cr2O3 y Fe2O3.
     • Estructura de espinel
       • Tiene una celda unitaria cúbica, en cada uno de sus cubos menores hay iones de oxigeno, hay 4 intersticiales octaédricos y 8 sitios intersticiales tetraédricos, de los cuales los cationes ocupan 3. En los espineles inversos, el ión bivalente y la mitad de los iones trivalentes se localizan en los sitios octaédricos.
     • Imperfecciones en las estructuras cerámicas cristalinas.
       • Defectos puntuales
         • En los cerámicos se forman soluciones sólidas sustitucionales e intersticiales, es difícil mantener una distribución equilibrada de cargas cuando se introducen iones de solución sólida, pero a los cerámicos se puede acomodar de muchas maneras las deficiencias o los excesos en las cargas.
         • El tipo y número de iones absorbidos afectan la química superficial de las plaquetas, pero esto a su vez afecta la conformabilidad y resistencia de los productos cerámicos basados en arcillas.
       • Dislocaciones
         • No se mueven con facilidad, como no hay deslizamiento las grietas no se redondean, en consecuencia su propagación es continua.
       • Defectos superficiales
         • Son los límites de grano y las superficies de las partículas.
       • Porosidad
         • Es un tipo especial de defecto superficial en los cerámicos, los poros pueden estar interconectados o cerrados.

5. Materiales compuestos

   • Los materiales compuestos están formados de materiales continuos y discontinuos, al material continuo se le llama matriz, y al medio discontinuo que normalmente es el más fuerte y duro se le llama refuerzo.
     • Las propiedades de los materiales compuestos son dependientes de las propiedades de los materiales que lo constituyen, así como de su distribución e interacción entre ellos.
   • La ciencia del conocimiento de los materiales está en continuo desarrollo y día a día registra nuevos avances y descubrimientos en el campo de las propiedades químicas, ópticas, magnéticas.
     • Dentro de los materiales que tenemos más próximos podemos mencionar:
       • Cristales líquidos
         • Son utilizados en las pantallas de los televisores y de los ordenadores, están formados por finos cristales de materiales conductores transparentes que dejan pasar la luz (óxido de estaño dopado con indio).
       • Biomateriales
         • Muy utilizados en el campo de la implantación de prótesis, o de piel artificial.
         • El objetivo es crear un biomaterial poroso que permita la interconectividad de tubos capilares, nervios y vasos sanguíneos, que actúe como órganos artificiales, durables, menos pesados y de bajo costo que no provoquen rechazo entre los receptores.
         • Para su producción se utilizan ciertos polímeros sintéticos, o materiales metálicos a base de titanio y cobalto, o determinados compuestos cerámicos y vítreos.
       • Materiales fosforescentes
         • Se utilizan para recubrir las paredes interiores de ciertos monitores o pantallas. Cuando estos son atravesados por radiaciones de una determinada longitud de onda no visible por el ojo humano, estas radiaciones provocan una modificación en los materiales y las convierten en visibles iluminándose cromáticamente, para lo que se emplea, óxido de itrio (Y2O3), silicato de zinc (Zn2SiO4).
         • Estos materiales poseen múltiples fases. Sus propiedades dependen proporcionalmente de las propiedades y la cantidad de las fases que lo forman. Por esa razón, las fases se combinan en la cantidad adecuada para obtener las propiedades que se deseen.
         • Un ejemplo de un material compuesto sería mezclar hilos metálicos con un material polímero. Los hilos le proporcionan resistencia al material, mientras que el polímero le proporciona un peso bajo. Combinando la cantidad correcta de hilos y polímero, se puede obtener un material de buena resistencia y bajo peso.

6. Tendencias de nanotecnologia: materiales y sus caracteristicas

   • Actualmente se está desarrollando un nuevo campo, el de los nanomateriales de escala microscópica. Es este un campo nuevo y en general se está investigando y experimentando con materiales híbridos compuestos por elementos orgánicos, biológicos, inorgánicos
     • Materiales orgánicos
       • Que son producidos con virus, que no afectan a los seres humanos, Importante Imagen en Flickr de ANL bajo CC. y son empleados para fabricar microprocesadores más rápidos.
     • Materiales inteligentes
       • Que son capaces de copiar el comportamiento del organismo humano y sean capaces de reparar posibles averías.
     • Materiales híbridos, (optoelectrónica)
       • El objetivo de estas técnicas es reunir el campo de la óptica, la electrónica y la ciencia de materiales para desarrollar nuevos productos similares a los empleados en electrónica, pero que en vez de emplear electrones como portadores de la señal, emplean fotones.
         • Con ello se consigue un consumo y volúmenes incomparablemente menores, así como unas velocidades de respuesta ultrarrápidas. Se está desarrollando un producto llamado PMO (periodic mesoporous organosilica) a base de metileno (orgánico) y silicio (inorgánico).
     • Materiales superconductores
       • Empleados en la fabricación de imanes permanentes, permiten la utilización de campos magnéticos muy potentes y estables, que prácticamente no presentan consumo energético, en la actualidad se están desarrollando nuevos superconductores a base de nioburo de estaño y de aleaciones con titanio y niobio.
     • Geles
       • Materiales que responden a estímulos como los cambios de temperatura o de acidez.
       • Influenciados por la demanda de materiales con propiedades diferentes, como mayor ligereza, resistencia, conductividad,… se han realizado una serie de investigaciones que han dado lugar a la aparición de nuevos materiales con propiedades antes inimaginables, de entre los que podemos destacar:
         • FIBRA DE CARBONO
           • El carbono es un material que, según su estructura cristalina, es capaz de tomar la forma del grafito o del diamante, también puede convertirse en un material con cualidades únicas que puede reemplazar a gran escala a los materiales convencionales.
             • Así las fibras de carbono muy pequeñas, sumergidas en un polímero de soporte (normalmente resina) resultan un material muy liviano y sumamente resistente. Cada filamento de carbono es la unión de muchas miles de fibras de carbono. Un filamento es un fino tubo con un diámetro de 5-8 micrómetros.
         • NANOTUBOS
           • Son estructuras tubulares cuyo diámetro es del tamaño del nanómetro. Existen nanotubos de muchos materiales, tales como silicio o nitruro de boro pero, generalmente, el término se aplica a los nanotubos de carbono.
             • Los nanotubos de carbono son las fibras más fuertes que se conocen. Un solo nanotubo perfecto es de 10 a 100 veces más fuerte que el acero por peso de unidad y poseen propiedades eléctricas muy interesantes, conduciendo la corriente eléctrica cientos de veces más eficazmente que los tradicionales cables de cobre. También presentan una gran elasticidad.
         • AEROGEL
           • Se puede fabricar a partir diferentes materiales, tales como, sílice, circonio, o carbono, entre otros. Está compuesto por entre un 90 % y un 99,8 % de aire, es mil veces menos denso que el vidrio y unas tres veces más denso que el aire, solo unos 3 miligramos por centímetro cúbico.
             • Tiene al tacto una consistencia similar a la espuma de poliestireno.
               • Entre sus propiedades se destacan el hecho de ser casi tan liviano como el aire y al mismo tiempo muy resistente, puede soportar más de 1000 veces su propio peso, así como su sorprendente capacidad como aislante térmico, lo cual lo vuelve sumamente atractivo para diversas aplicaciones.
         • GRAFENO
           • Tiene una estructura laminar plana, de un átomo de grosor, compuesta por átomos de carbono densamente empaquetados en una red cristalina en forma de panal de abeja.
           • Entre sus aplicaciones podemos destacar su uso en pantallas táctiles, flexibles, planas y transparentes, móviles, células fotovoltaicas, sensores, fibra óptica, transistores.
           • Propiedades
             • Alta conductividad térmica y eléctrica.
             • Alta elasticidad y dureza.
             • Resistencia (200 veces mayor que la del acero).
             • Capacidad de reaccionar químicamente con otras sustancias para formar compuestos con diferentes propiedades, lo que dota a este material de gran potencial de desarrollo.
             • Soporta la radiación ionizante.
             • Es muy ligero, como la fibra de carbono, pero más flexible.
             • Menor efecto Joule, se calienta menos al conducir los electrones.
             • Consume menos electricidad para una misma tarea que el silicio.

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