Introducción a la Ciencia de los Materiales

La ciencia de los materiales tiene por objetivo el estudio de las propiedades más implícitas o moleculares en un material. Debido a esto, se puede clasificar, identificar, diseñar, sustituir y refaccionar los diferentes tipos de aplicaciones. Para conseguir este objetivo, es necesario el estudio de la estructura atómica.

Tipos de Materiales

Metales

Son materiales pesados y, en su condición material o mineral, son opacos. Poseen una alta densidad y gran resistencia mecánica. Son buenos conductores térmicos y eléctricos, pero tienen baja resistencia a la corrosión y oxidación. Cabe destacar que el cobre y el aluminio son puros, mientras que el acero es una aleación.

Cerámicos

El ladrillo, el vidrio y la porcelana son materiales cerámicos, los cuales poseen una baja resistencia mecánica, baja capacidad de deformación, pero una alta dureza. Poseen capacidad de aislación térmica y eléctrica, y una resistencia material a la oxidación y corrosión.

Polímeros

Su nombre lo adquiere debido a la polimerización o formación de grandes cadenas en cantidad y longitud a partir de moléculas de carbono. Posee baja resistencia mecánica y gran deformación, y su conductividad térmica y eléctrica es pobre, quedando en la categoría de material aislante. Tienen resistencia a la corrosión y se clasifican en termoestables.

Semiconductores

Poseen una capacidad intermedia entre un conductor y un aislante. Son utilizados ampliamente en la electrónica, como el silicio y el germanio.

Materiales Compuestos

Radica en la unión y combinación de dos o más materiales diferentes, generando propiedades que no se encuentran en ninguno de estos materiales por separado.

Estructura Atómica y Enlaces

La composición básica de un átomo establece un núcleo, el cual contiene neutrones y protones, alcanzando una carga neta positiva. A su alrededor orbitan los electrones, con una carga negativa, los cuales se encuentran sujetos al núcleo por una atracción electrostática. Se establece que tanto un electrón como un protón poseen una carga de 1.60×10^-19 Coulomb. La mayor magnitud en masa se encuentra en el núcleo, estableciendo una cantidad de 1.67×10^-24 gr en cada protón y neutrón, y la de cada electrón se estima en 9.11×10^-28 gr.

Conceptos Clave

• Enlace: Cosa que reacciona o une dos o más elementos.
• Electronegatividad: Es una medida de la capacidad de un átomo para atraer los electrones cuando forma un enlace químico en una molécula.
• Mol: Unidad con que se mide la cantidad de sustancia; es una de las siete magnitudes físicas fundamentales del Sistema Internacional de Unidades.
• Valencia: Es el número de electrones que tiene un elemento en su último nivel de energía.
• Peso Atómico Molecular: Es la cantidad física definida como la suma de la cantidad de las masas o del número atómico, con el símbolo Z, de un elemento expresado en UMA.

Estructura Electrónica del Átomo

Los electrones ocupan niveles de energía discontinuos dentro del átomo. Cada electrón posee una cantidad de energía diferente a otro electrón del mismo átomo. El nivel de energía al cual corresponde cada electrón se define por cuatro números cuánticos:

• El número cuántico principal “n” se le asigna valores enteros (1, 2, 3…), el cual indica la capa cuántica a la cual pertenece el electrón.
• El número de niveles de energía en cada capa cuántica se define por dos propiedades: el número cuántico azimutal L y el número cuántico magnético “ml”.
• El número cuántico de espín se designa mediante una letra minúscula “s”.
• El principio de exclusión de Pauli establece que no pueden existir más de dos electrones con energía que provoquen giros opuestos en cada orbital.

La Valencia: Se relaciona con la capacidad del átomo para combinarse con otros elementos, la cual, por lo general, queda definida por el número de electrones en los niveles s y p externos.

Enlaces Atómicos

Existen cuatro mecanismos mediante los cuales los átomos se unen o enlazan:

Enlace Metálico

Los elementos metálicos, que poseen una baja electronegatividad, ceden sus electrones de valencia con facilidad, formando un mar de electrones que rodean a los átomos. Por ejemplo, el aluminio cede sus tres electrones, dejando un núcleo acompañado de los electrones interiores, debido a su alta capacidad de atraer electrones interiores.

Enlace Covalente

La principal característica en estos enlaces es la magnitud de fuerza en relación a los electrones que comparten entre dos o más átomos. El silicio posee una valencia de 4, por lo tanto, en su capa externa, al compartir estos 4 electrones cada uno con 4 átomos de silicio, adquiere 8 electrones en total, es decir, se generan 4 enlaces covalentes en el silicio. Los enlaces covalentes organizan los átomos de forma direccional o con cierta geometría, la cual en el silicio es de forma tetraédrica.

Enlace Iónico

Este enlace se genera cuando un átomo cede sus electrones de valencia a un átomo distinto, llenando la capa de este y generando que uno de los átomos tenga su capa llena y el otro vacía, adquiriendo carga eléctrica y comportamiento iónico. El átomo que cede sus electrones adquiere una carga neta positiva (catión) y el átomo que acepta los electrones adquiere carga negativa (anión). Los iones de carga opuesta se atraen, generando un enlace iónico.

Enlace de Van der Waals

Estos enlaces son de carácter secundario en los materiales, uniendo moléculas o grupos de átomos mediante una débil atracción electrostática. Se visualiza en muchos polímeros.

Organización Atómica

Se caracterizan 14 tipos de celdas unitarias y 7 sistemas cristalinos, lo cual recibe el nombre de celdas de Bravais:

1. Sistema Cúbico: Reúne a las celdas cúbicas simples, cúbica centrada en la cara y cúbica centrada en el cuerpo.
2. Sistema Tetragonal: Reúne a las celdas tetragonales simples y tetragonales centradas en el cuerpo.
3. Sistema Hexagonal: Reúne a la celda hexagonal.
4. Sistema Ortorrómbico: Reúne a las celdas ortorrómbicas simples, centradas en el cuerpo, centradas en la base y centradas en las caras.
5. Sistema Romboédrico: Reúne a la celda romboédrica.
6. Sistema Monoclínico: Reúne a las celdas monoclínicas simples y centradas en la base.
7. Sistema Triclínico: Reúne a la celda triclínica.

Observación del Índice de Miller

El índice de Miller en dirección representa un vector, pero el índice de Miller de signo contrario no implica igual dirección y sentido. Un índice de Miller en dirección será equivalente a sus múltiplos.