4 de 78 1. Estructura cristalina

1.1 Introduccin a la estructura atmica y energade enlace

El objetivo de esta seccin es describir los conceptos fundamentales relaciona-dos con la estructura de la materia. Se examina la estructura atmica con objetode establecer una base para comprender la forma en que afecta las propiedades,los comportamientos y las aplicaciones consecuentes de los materiales de ingenie-ra. El lector aprender que la estructura de los tomos afecta los tipos de enlacesque mantienen unidos a los materiales. Estos distintos tipos de enlaces afectanen forma directa la aptitud de los materiales en las aplicaciones ingenieriles en elmundo real.

Tanto la composicin como la estructura de un material tienen una influen-cia profunda sobre sus propiedades y su comportamiento. Los ingenieros y loscientficos que estudian y desarrollan materiales deben comprender su estructuraatmica. Veremos que las propiedades de los materiales se pueden controlar y que,en realidad, se pueden adaptar a las necesidades de determinada aplicacin, me-diante el control de su estructura y composicin. La estructura de los materialesse puede examinar y describir en cinco niveles diferentes:

1) Macroestructura,

2) Microestructura,

3) Nanoestructura,

4) Arreglos atmicos de corto y largo alcance y

5) Estructura atmica.

Los ingenieros y los cientficos que se ocupan del desarrollo y las aplicacio-nes prcticas de materiales avanzados deben comprender la Microestructura y laMacroestructura de diversos materiales, as como la forma de controlarlas. La Mi-croestructura es la estructura del material a una escala de longitud de 10 a1000 nm. La escala de longitud o intervalo de dimensiones caractersticas dentrode la que se describen las propiedades de un material o los fenmenos que sucedenen los materiales. En el caso normal, la Microestructura comprende propiedadescomo el tamao promedio del grano, la distribucin de ese tamao, la orientacinde los granos y otras propiedades relacionadas con los defectos en los materiales.(Un grano es una porcin del material dentro de la cual el arreglo de los tomos

ITESCAM IMAT - MAU-1011 F. del Estado Slido

1. Estructura cristalina 5 de 78

es casi idntico.) La Macroestructura es la estructura del material a nivel ma-croscpico, donde la escala de longitud es 1000 nm. Entre las propiedades queconstituyen la Macroestructura estn la porosidad, los recubrimientos superficialesy las microgrietas internas o externas.

Tambin es importante comprender la estructura atmica y la forma en que losenlaces atmicos producen distintos arreglos atmicos o inicos en los materiales.La estructura atmica incluye todos los tomos y sus arreglos, que constituyenlos bloques estructurales de la materia. A partir de estos bloques estructuralesemergen todos los nanos, micro y macroniveles de estructura. Las perspectivasobtenidas al comprender la estructura atmica y las configuraciones de enlace delos tomos y molculas son esenciales para una buena seleccin de materiales deingeniera, as como para desarrollar nuevos materiales avanzados.

Un examen detenido del arreglo atmico permite distinguir entre materialesque son amorfos (que carecen de un orden de largo alcance de los tomos o iones) ocristalinos (los que tienen arreglos geomtricos peridicos de tomos o iones). Losmateriales amorfos slo tienen arreglos atmicos de corto alcance, mientras quelos materiales cristalinos tienen arreglos de corto y largo alcance. En los arreglosatmicos de corto alcance, los tomos o los iones muestran determinando ordenslo dentro de distancias relativamente cortas. Para los materiales cristalinos, elorden atmico de largo alcance tiene la forma de tomos o iones ordenados en unarreglo tridimensional que se repite a lo largo de distancias mucho mayores (desde 100 nm hasta algunos centmetros).

La estructura de los materiales: importancia tecnolgica

En el mundo actual hay muchas reas, como la tecnologa de la informacin,la biotecnologa, la tecnologa de la energa, del ambiente y muchas ms, dondese requieren dispositivos cada vez ms pequeos, ms ligeros, ms rpidos, por-ttiles, ms eficientes, fiables, duraderos y poco costosos. Se requieren baterasque sean ms pequeas, ms ligeras y durables. Se necesitan automviles que seanrelativamente asequibles, ligeros, seguros, con alto rendimiento de combustible yequipados con muchas funciones avanzadas, desde sistemas de posicionamientoglobal hasta complicados sensores para activar la bolsa de aire.

Algunas de esas necesidades han generado bastante inters en la nanotecno-loga y en los sistemas micro-electromecnicos (MEMS por sus siglas en ingls).Un ejemplo de estos ltimos en el mundo real es el sensor de aceleracin que seobtiene con micromaquinado de silicio (Si). Este sensor se usa para medir la ace-leracin en automviles. La informacin se procesa en una computadora central,y despus se usa para controlar la activacin de la bolsa de aire. Las propiedades

ITESCAM IMAT - MAU-1011 F. del Estado Slido

6 de 78 1. Estructura cristalina

y el comportamiento de los materiales a estos niveles micro pueden variar mucho,en comparacin con los que tienen a nivel macro o en el volumen. En consecuen-cia, comprender la estructura a nanoescala, que es la nanoestructura (es decir, laestructura y las propiedades de los materiales a una nanoescala, o una escala delongitud de 1 a 100 nm) y la microestructura son ramas que han recibido consi-derable atencin. El termino nanotecnologa se usa para describir un conjunto detecnologas que se basan en fenmenos fsicos, qumicos y biolgicos que sucedenen la nanoescala.

Las aplicaciones que se muestran en la tabla 1.1 se ilustra la importancia delos distintos niveles de estructura en las propiedades de un material. Las aplica-ciones que se muestran se descomponen por sus niveles de estructura y escalas delongitud (la longitud caracterstica aproximada que es importante para determi-nada aplicacin). Tambin se incluyen ejemplos de la forma como esa aplicacinse usara en la industria.

Ahora dirigiremos nuestra atencin a los detalles concernientes a la estructurade los tomos, el enlace entre ellos y el modo en que forman una base de las pro-piedades de los materiales. La estructura atmica influye sobre la forma en que seenlazan los tomos entre si. La comprensin de esto ayuda a clasificar los mate-riales en metales, semiconductores, cermicas o polmeros. Tambin nos permitellegar a algunas conclusiones generales acerca de las propiedades mecnicas y loscomportamientos fsicos de estas cuatro clases de materiales.

ITESCAM IMAT - MAU-1011 F. del Estado Slido

1. Estructura cristalina 7 de 78

Tabla 1.1: Niveles de estructuras

Nivel de estructura Ejemplo de tecnologas Escala aproximadade longitud

Estructura atmica Diamante: El diamante se basa en enlaces co-valentes carbono-carbono(C-C). Se espera quelos materiales con esta clase de enlaces sean re-lativamente duros. Se usan pelculas delgadasde diamante para proporcionar un filo resis-tente al desgaste para herramientas de corte.

hasta 1 .

Arreglos atmicos:orden de largo al-cance

Titanato de plomo y zirconio [Pb(ZrxTi1x]o PZT: cuando los iones en este material searreglan de modo que tengan estructuras cris-talinas tetragonales o rombodricas, el mate-rial es piezoelctrico: desarrolla un voltaje alsometerlo a presin o esfuerzo. Las cermicasPZT se usan mucho en diversas aplicaciones,que incluyen encendedores de gas, generacinde ultrasonido y control de vibraciones.

1 a 10 ; puedeexistir ordenamien-to hasta en varioscm, en los cristalesmayores.

Arreglos atmicos:orden de corto al-cance

Iones en vidrio de slice (SiO2) solo tienen or-den de corto alcance, donde los iones Si+4 yO2 se arreglan de cierta manera: cada Si+4

esta enlazado con iones 4 O2 en coordina-cin tetradrica. Sin embargo, este orden nose mantiene en grandes distancias, y entoncesel vidrio de slice es amorfo. Los vidrios de s-lice amorfa, a base de slice y de otros xidosmetlicos, son la base de toda la industria decomunicaciones por fibras pticas.

de 1 a 10 .

Nanoestructura Partculas con nanotamao ( 5 a 10 nm) dexido de hierro; se usan en ferrofluidos o enimanes lquidos. Estas partculas de oxido dehierro, de nanotamao, se dispersan en lqui-dos y se usan comercialmente como ferroflui-dos. Una aplicacin de esos imanes lquidos escomo medio de enfriamiento (transferencia decalor) en los altavoces.

1 a 100 nm.

Microestructura La resistencia magntica de muchos metalesy aleaciones depende mucho del tamao delgrano. Los granos y los lmites de grano dela micrografa adjunta de acero son parte delas caractersticas microestructurales de estematerial cristalino. En general, a temperatu-ra ambiente un grano ms fino conduce a unaresistencia mayor. Muchas propiedades impor-tantes de los materiales son sensibles a la mi-croestructura.

10 a 1000 nm.

Macroestuctura Recubrimientos relativamente gruesos, comolas pinturas en automviles y otras aplicacio-nes; se usan no solo por esttica, sino para darresistencia a la corrosin.

1000 nm.

ITESCAM IMAT - MAU-1011 F. del Estado Slido