Estructuras Cristalinas: Conceptos, Aplicaciones y Ejemplos
Contenido
- Conceptos
- Aplicaciones
- Ejemplos y Diseños
- Propiedades (Ventajas y Desventajas)
Estructura de un Material
La estructura de un material regula sus propiedades. Es crucial la adecuación de la estructura para optimizar el rendimiento del material.
Organización estructural (de menor a mayor escala):
Partículas subatómicas -> átomos -> moléculas -> estructuras moleculares -> amorfas/cristalinas
Material Cristalino
Son aquellos materiales cuyos átomos o iones están organizados siguiendo un patrón repetitivo a lo largo de toda la estructura.
Propiedades:
- Dureza
- Costo elevado
- Compactos
- Periodicidad: Los átomos se encuentran siempre a distancias específicas.
- Homogeneidad: Nudos de red idénticos.
- Anisotropía: Propiedades dependientes de la dirección.
Material Amorfo
Material que no posee un arreglo periódico entre sus átomos; no presenta un patrón determinado ni disposición interna.
Propiedades:
- Bajos puntos de fusión
- Maleables
- Bajo costo
- Sirven como recubrimientos
- Absorben vibraciones
Nota (para distinguir uno de otro): Utilizando técnicas de difracción, un material cristalino muestra patrones de difracción, mientras que un material amorfo no.
Estructura del Cristal
Se refiere al tamaño, forma y arreglo de los átomos en una red cristalina.
- Red de puntos (construcción puramente matemática): Puntos arreglados en un patrón periódico de tal manera que los entornos en cada punto son idénticos (pueden ser unidimensionales, bidimensionales o tridimensionales).
- Motivo (molecular) o base (celda primitiva): Grupo de átomos localizados uno respecto del otro, asociado con cada punto de red (debe contener al menos un átomo de uno o más tipos).
- Celda unitaria: Conjunto de celdas primitivas que representa una parte del retículo cristalino (red). Es la unidad estructural repetida de un cristal.
- Red o retículo cristalino (sistema cristalino): Conjunto de celdas unitarias.
Red de puntos + Motivo || Celda Primitiva -> Celda Unitaria -> Sistema cristalino
Lo que este subrayado es el punto reticular
Punto reticular -> Celda unitaria -> Retículo cristalino
Los puntos de red son equivalentes. Mediante la teoría de grupos se demuestra:
- 1 arreglo en red unidimensional
- 5 arreglos en red bidimensional
- 14 arreglos en una red tridimensional
Las celdas unitarias se agrupan en 7 diferentes tipos de sistemas cristalinos:
- Cúbico (sencilla, centrada en las caras, centrada en el cuerpo)
- Tetragonal
- Ortorrómbico
- Romboédrico
- Hexagonal
- Monoclínico
- Triclínico
Redes de Bravais: Arreglo atómico de las celdas unitarias. Los puntos son motivos (celdas primitivas). Se utilizan dependiendo de la función que se requiera del material.
Monocristal
Material cristalino que posee un solo cristal. Los monocristales son esencialmente anisótropos.
Propiedades mecánicas:
- Dureza
- Fragilidad: Al no tener fronteras de grano, toda la superficie absorbe los golpes.
Aplicaciones:
- Chips de computadoras fabricados con monocristales grandes de Si.
- Películas delgadas en aplicaciones eléctricas.
- Álabes de turbinas fabricados con monocristales de súper-aleación a base de Ni.
- Herramientas abrasivas.
- Circuitos integrados.
Ejemplos:
- Semiconductores de silicio
- Súper-aleaciones de níquel
- Carbono (Diamante)
Ventajas:
- Más duro que un policristal.
Desventajas:
- Uso específico
- Fragilidad
- Mayor dificultad de obtención.
Policristal
Es un material cristalino que posee más de un cristal. Cada grano tiene una orientación distinta, y la región donde dos granos se encuentran se llama frontera de grano.
Propiedades mecánicas: Dependen de las unidades de cristales que lo formen.
Aplicaciones:
- Vigas de acero
- Castillos de concreto
- Vidrio-cerámicos
Ejemplos: La mayoría de los materiales son policristalinos.
Ventajas: Pueden presentar comportamientos anisotrópicos e isotrópicos a conveniencia.
Desventajas: No pueden realizar ciertos trabajos que los monocristales sí pueden, debido a la presencia de las fronteras de grano.
Polimorfismo
Capacidad de los materiales cristalinos (metales y cerámicos) para adoptar múltiples estructuras cristalinas para un mismo material.
Ejemplos:
- Hierro (en metales)
- Sílice (en cerámicos)
Aplicaciones: Vigas reforzadas con hierro.
Ventajas: Mejoramiento de las propiedades de un material.
Isotropía
Propiedad de un material en la cual sus cualidades no varían al cambiar la dirección (no hay dependencia direccional).
Ejemplos:
- Algunos policristales texturizados.
- Los materiales amorfos (o no cristalinos) son estrictamente isótropos.
Aplicaciones:
- Productos adecuados para embutido profundo (ollas, vainillas).
- Planchas (se requiere que presenten similares propiedades mecánicas a lo largo y ancho).
Ventajas:
- Más económicos
- Más fáciles de fabricar y encontrar
Desventajas:
- Usos limitados
- No tienen cualidades remarcables
Anisotropía
Propiedad de un material en la cual sus cualidades varían al cambiar la dirección (dependencia direccional). La anisotropía es más acusada en los sólidos cristalinos debido a su estructura atómica y molecular.
Ejemplos de propiedades anisotrópicas:
- Conductividad (térmica, electrónica, iónica…)
- Constantes elásticas de un sólido deformable
- Crecimiento cristalino
- Dilatación térmica
- Pleocroísmo
- Magnetismo
Ejemplos:
- Tejidos biológicos
- Madera
- Monocristales en general
Aplicaciones: Vigas.
Ventajas:
- Materiales especializados, con más propiedades y versatilidad.
Desventajas:
- Costo elevado
- Proceso de producción largo
- Mayor dificultad de obtención
Microestructura
Este término se refiere a las imperfecciones de los cristales reales. Se relaciona con la formación de los granos, donde ninguna estructura es perfecta y se encuentran impurezas durante el proceso de cristalización.