Estructura De Los Materiales

Introducción

El estudio de los materiales consiste en saber como los distintos tipos de estructuras afectan a las propiedades y los comportamientos de los materiales, para luego darle ciertas aplicaciones.

Entonces podemos decir que tanto la composición como la estructura de un material tiene una influencia profunda sobre sus propiedades y comportamientos.

Las estructuras de los materiales se pueden explicar y describir en cinco niveles diferentes.

• Macroestructuras.

• Microestructuras.

• Nanoestructuras.

• Arreglos atómicos de corto y largo alcance.

• Estructuras atómicas.

La macroestructura es la estructura de los materiales a nivel microscópico, donde la escala de longitud es mayor a 1000 [nm]. En las propiedades de las macroestructuras estan la porosidad de los recubrimientos superficiales, las microgrietas internas y externas.

La microestructura es la estructura de un material a una escala de longitud de 10 a 1000 [nm]. La escala de longitud es un intervalo de dimensiones dentro de las cuales se describen las propiedades de un material o los fenómenos que suceden en ellos. Por lo general la microestructura comprende propiedades como el tamaño promedio del grano, la distribución de ese tamaño, la orientación de los granos y otras propiedades relacionadas con los defectos del material.

La nanoestructura es una de las escalas que mas se estudian últimamente. De ella deriva la rama de la tecnología llamada nanotecnología y es la que se encarga de estudiar los fenómenos físicos, químicos y biológicos que ocurren a una escala de longitud que va de 1 a 100 [nm].

En los arreglos atómicos de corto alcance, los átomos o los iones muestran determinado orden solo dentro de distancias relativamente cortas. Los materiales llamados Amorfos tienen este tipo de arreglos atómicos.

En los arreglos atómicos de largo alcance el ordenamiento de los átomos o iones se da en un arreglo tridimensional que se repite a lo largo de distancias grandes, en la escala de longitud esto es de los 100 [nm] hasta algunos centímetros. Las estructuras cristalinas pueden tener este tipo de arreglos pero a su vez también pueden tener una arreglo de corto alcance.

Desarrollo

Materiales amorfos

Todo material que no tenga un arreglo de largo alcance es un material amorfo. Todos los materiales, por lo general, forman estructuras con arreglos periódicos que les permita llegar a una estabilidad termodinámica, esto quiere decir que los átomos que conforman el material están en una posición de menor energía o de equilibrio químico con su entorno.

Los sistemas amorfos en cambio, son sistemas que por una u otra razón, la cinética del proceso de su obtención no permitió la formación de arreglos periódicos.

Los materiales amorfos ofrecen una mezcla única e inusual de propiedades ya que sus átomos o sus iones no están acomodados en sus arreglos regulares y periódicos.

Un ejemplo de estos materiales es el vidrio de silicato. Con un proceso llamado de Vidrio Flotado, se funde varios componentes como ser sílice, alúmina, óxido de sodio, óxido de calcio entre otros, para formar los vidrios que se usan en parabrisas y ventanas. A este proceso se le agrega otros óxidos a la sílice para bajar la temperatura de fusión, porque a una temperatura de 1400 ºC, la sílice es demasiado viscosa para que el proceso funcione. El vidrio fundido flota sobre un baño de estaño fundido; de ahí el nombre de vidrio flotante. La imagen siguiente muestra un esquema de una planta de vidrio flotante

Cuando el vidrio se comienza a enfriar, los tetraedros de vidrio de silicato no tienen oportunidad de formar estructuras periódicas y por lo tanto forman una estructura amorfa. Pero si en cambio, al vidrio se lo mantiene a unos 1000 ºC por un periodo largo de tiempo, el vidrio de silicato comenzara a formar zonas cristalinas que dispersaran la luz y por lo tanto el vidrio perderá traslucidez.

Los materiales metálicos en cambio, tienden a cristalizarse cuando se enfrían. Para lograr un metal que tenga una estructura amorfa, y que generalmente se les llama vidrios metálicos, se debe enfriar con mucha velocidad el metal fundido en un orden de 10^6 [ºC/s]. Esta técnica se llama solidificación rápida.

Resumiendo se puede decir que para obtener materiales amorfos debemos restringir que los átomos o iones ocupen sus posiciones generalmente periódicas regulares.

Materiales cristalinos

La estructura cristalina es la forma sólida de cómo se ordenan los átomos o iones que están ordenados con patrones de repetición que se extienden en las tres dimensiones del espacio. Esto es debido a que los átomos se organizan de tal forma que se encuentren en un estado de menor energía o también se puede decir en equilibrio termodinámico.

Si nos fijamos con detenimiento, en este gráfico existe siempre una fracción de los mismos que se repite. Asimismo, los átomos o iones dan lugar a motivos que se repiten del orden de 1 Ángstrom = 10-8 [cm]; a esta repetitividad, en tres dimensiones, la denominamos red cristalina. El conjunto que se repite, por translación ordenada, genera toda la red (todo el cristal) y la denominamos unidad

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