DEFECTOS CRISTALINOS Y SUS APLICACIONES

1.-INTRODUCCIÓN

El estudio de las propiedades de los materiales se encuentra en amplio desarrollo, todo tipo de avances tecnológicos se basan en los mismos. Nuestras vidas están estrechamente relacionadas con estos cambios. La estructura física de los materiales en la ingeniería es de gran importancia, ya que comprendiendo estas, podemos definir sus propiedades y definiendo sus propiedades podemos saber que uso darle al material. En la naturaleza existen los materiales amorfos, estos no tienen una estructura ordenada, al contrario, sus átomos se encuentran en posiciones asimétricas. Normalmente este tipo de materiales surgen con la mezcla de moléculas que no se apilan bien. También existen los materiales con estructuras cristalinas. Estos tienen estructuras bien definidas y organizadas. Este tipo de estructura se caracteriza por formar figuras geométricas. Esto ha hecho que, en el estudio de los cristales, sus estructuras no se consideren formadas por una red de átomos, sino mas bien como solidos limitados por una serie de caras. Podemos imaginar puntos idénticos colocados en modo de una red y definirlo como una celda unitaria o red espacial, esta nos ayuda a imaginar las estructuras cristalinas1.

Las redes espaciales también pueden ser llamadas redes de Bravais, y estas las podemos dividir en siete familias; Cubicas/Isométricas, Monoclínicas, Ortorrómbicas, Tetragonales, Hexagonales y Triclinicas2. Cada una de estas estructuras tiene diferencias en sus ejes cristalográficos lo cual les da diferentes propiedades y usos. Sin embargo, las estructuras cristalinas sufren de una “idealización”. La forma en la que están organizados los puntos de las redes difiere de la posición ideal que se espera. Estas diferencias, para sus términos de estudio se le llaman “defectos”3. Esto puede sonar como algo malo, pero en realidad los defectos son lo que les dan las propiedades a los materiales. Se podría decir que los defectos cristalinos son una medida de controlar las propiedades físicas del material, y que un cristal ideal sirve como una referencia descriptiva a la cual se le añaden defectos para describir un cristal real.

2.- DEFECTOS CRISTALINOS Y SUS APLICACIONES

2.1.- Defectos Puntuales

Los defectos puntuales son discontinuidades de la red que involucran uno o quizá varios átomos. Estos defectos o imperfecciones pueden ser generados en el material mediante el movimiento de los átomos al ganar energía por calentamiento, durante el procesamiento del material, mediante la introducción de impurezas o intencionalmente a través de las aleaciones5.

2.1.1.- Vacancia de átomos

Este es el defecto puntual más simple, es un hueco creado por la pérdida de un átomo que se encontraba en esa posición. Estas vacantes pueden ser producidas durante la solidificación como resultado de perturbaciones locales en el crecimiento de los cristales o pueden ser debidas atómicas de un cristal ya formado. (Figura-1)

2.1.1.1.- Aplicaciones de vacancia de átomos

Las implicaciones que las vacancias tienen sobre las propiedades físicas de los semiconductores son determinantes al momento de considerar sus potenciales aplicaciones tecnológicas. Estas ofrecen, además, la posibilidad de sintonizar las propiedades optoelectrónicas para ciertos semiconductores. Sin embargo, desde un enfoque experimental, su estudio presenta ciertas limitaciones debido a las dificultades de controlar una producción homogénea de defectos en el material7.

Los semiconductores calcogenuros metálicos son de interés en aplicaciones eléctricas y electro-ópticas, especialmente en la fabricación de materiales de control solar, celdas de conversión de energía solar (Figura-2), láseres semiconductores, detectores infrarrojos y en el estudio de estructuras cuánticas.

2.1.2.- Átomos intersticiales

Cuando un átomo en un cristal puede ocupar un hueco intersticial entre átomos en su entorno que ocupan posiciones atómicas normales. Este tipo de defecto no ocurre de forma natural, pero se puede generar por irradiación4. (Figura-3)

2.1.2.1.- Aplicaciones de Átomos intersticiales

Un ejemplo importante de soluciones sólidas intersticiales son las formadas por el C disuelto intersticialmente en Feα (CC, ferrita) y en Feγ (CCC, austenita).

2.1.2.2.-Ferrita

Las ferritas tienen una alta permeabilidad magnética, lo cual les permite almacenar campos magnéticos con más fuerza que el hierro. Las ferritas se producen a menudo en forma de polvo (Figura-4), con el cual se pueden producir piezas de gran resistencia y dureza, previamente moldeadas por presión y luego calentadas, llegar a la temperatura de fusión, dentro de un proceso conocido como sinterización. Mediante este procedimiento se fabrican núcleos para transformadores, bobinas y otros elementos eléctricos o electrónicos. Se emplea en la fabricación de: imanes permanentes aleados con cobalto y bario (Figura-4.1); en núcleos de inductancias y transformadores con níquel, cinc o manganeso, ya que en ellos quedan eliminadas prácticamente las Corrientes de Foucault. Las ferritas son materiales cerámicos ferromagnéticos, compuestos por hierro, boro y bario, estroncio o molibdeno.

2.1.3.- Átomos sustitucionales

Se crea un defecto sustitucional cuando se remplaza un átomo por otro de un tipo distinto. El átomo sustitucional permanece en la posición original (Figura-5). Cuando estos átomos son mayores que los normales de la red, los átomos circundantes se comprimen, si son más pequeños, los átomos circundantes quedan en tensión. En cualquier caso, el defecto sustitucional distorsiona la red circundante. Igualmente se puede encontrar este defecto como una impureza o como un elemento “aleante” agregado deliberadamente y, una vez introducido, el número de defectos es relativamente independiente de la temperatura5.

2.1.3.1.- Aplicación de los defectos sustitucionales

Entre las aleaciones metálicas simples, constituidas por una única fase se encuentra la aleación de aluminio 5083; en este caso la fase presente es esencialmente una solución sólida de sustitución de Mg disuelto en una matriz de Al (CCC); esta aleación se emplea, por ejemplo, para fabricar cascos de lanchas (Figura-6); admite ser conformada plásticamente y ser soldada, además tiene una buena resistencia

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