Cristalización

INTRODUCCION

Dentro de la ciencia de los materiales nos encontramos con varias incógnitas que tienen que ver con la estructura con la que cuenta; como por ejemplo el uso del carbono, ya que puede ser usado de varias formas como por ejemplo en los diamantes o en el grafito. Ambos son a base de carbono pero las propiedades son diferentes, la primera forma del carbono es conocida como uno de los materiales más duros que se conocen y la otra forma es muy suave respectivamente. Una pregunta que surge de este ejemplo es ¿Por qué no tienen las mismas características si esta hechos a base del mismo componente?

Dentro de este ensayo se podrá contemplar información importante que ayudara a la mejor comprensión de las diferencias en las características de elementos hechos de la misma base o material. Se examinara la estructura atómica con el objeto de establecer conocimientos para entender la forma en que la estructura afecta las propiedades de los materiales, así como de sus comportamientos y aplicaciones de estos en la ingeniería.

DESARROLLO

La estructura cristalina es la forma sólida de cómo se ordenan y empaquetan los átomos, moléculas, o iones. Estos son empaquetados de manera ordenada y con patrones de repetición que se extienden en las tres dimensiones del espacio. La cristalografía es el estudio científico de los cristales y su formación.

El estado cristalino de la materia es el de mayor orden, es decir, donde las correlaciones internas son mayores. Esto se refleja en sus propiedades antrópicas y discontinuas. Suelen aparecer como entidades puras, homogéneas y con formas geométricas definidas (hábito) cuando están bien formados. No obstante, su morfología externa no es suficiente para evaluar la denominada cristalinidad de un material.

Para comprender el comportamiento de los materiales no es suficiente el conocer su composición, sino también su estructura, ya que ambas tienen una influencia profunda sobre sus propiedades y su comportamiento. Se podrá ver que las propiedades de los materiales se pueden controlar y que se pueden adaptar a las necesidades de determinada aplicación, esto mediante el control de su estructura y de su composición.

La estructura de los materiales se puede examinar y describir en cinco niveles diferentes:

Macro estructura.

Microestructura.

Nano estructura.

Arreglos atómicos de corto y largo alcance.

Estructura atómica.

Aquellos que se ocupan del desarrollo y aplicaciones prácticas de materiales avanzados deben de comprender la microestructura y la macroestructura de diversos materiales, así como la forma de controlarlas. La microestructura es la estructura del material a una escala de longitud de 10 a 1000 nm. La escala de longitud es una longitud o intervalo de dimensiones características dentro de a que se describen las propiedades de un material o los fenómenos que suceden en los materiales. La macroestructura es a estructura del material a nivel macroscópico, donde la escala de longitud es >1000 nm.

También es importante comprender la estructura atómica y la forma en que los enlaces atómicos producen distintos arreglos atómicos o iónicos en los materiales.

Un examen detenido del arreglo atómico permite distinguir entre materiales que son amorfos (que carecen de un orden de largo alcance de los átomos o iones) o cristalinos (los que tienen arreglos geométricos periódicos de átomos o iones). Los materiales amorfos solo tienen arreglos atómicos de corto alcance, mientras que los materiales cristalinos tienen arreglos de corto y largo alcance. En los arreglos atómicos de corto alcance, los átomos o iones muestran determinado orden solo dentro de distancias relativamente cortas. Para los materiales cristalinos, el orden atómico de largo alcance tiene la forma de átomos o iones ordenados en un arreglo tridimensional que se repite a lo largo de distancias mucho mayores (desde >100 nm hasta algunos centímetros).

ORDEN DE CORTO ALCANCE COMPARADO CON EL ORDEN DE LARGO ALCANCE

Si no se consideran las imperfecciones que aparecen en los materiales, entonces existen tres niveles de arreglo atómico (Fig. 1).

Fig. 1. Los niveles del arreglo atómico en los materiales: (a) los gases inertes no tienen un orden regular en sus átomos. (b, c) Algunos materiales, incluyendo el vapor de agua y el vidrio, tienen un orden en una distancia muy corta. (d) Los metales y muchos otros solidos tienen un orden regular de los átomos que se extiende por todo el material.

Un material presenta un orden de corto alcance si el arreglo especial de los átomos se extiende solo a los vecinos más cercanos de dicho átomo. Los metales, semiconductores, muchos materiales cerámicos e incluso algunos polímeros tienen una estructura cristalina en la cual los átomos muestran tanto un orden de corto alcance como un orden de largo alcance; el arreglo atómico especial se extiende por todo el material. Los átomos forman un patrón repetitivo, regular, en forma de rejilla o de red. La red es un conjunto de puntos, conocido como puntos de red, que están organizados siguiendo un patrón periódico de forma que el entorno de cada punto de la red es idéntico. Uno o más átomos están asociados a cada punto de red.

CELDAS UNITARIAS

La celda unitaria es la subdivisión de la red cristalina que sigue conservando las características generales de toda la red. En la Fig. 2 se muestra una celda unitaria en una red. Al apilar celdas unitarias idénticas, se puede construir toda la red.

Fig. 2. Red.

Se identifican 14 tipos de celdas unitarias o redes de Bravais agrupadas en 7 sistemas cristalinos (Fig. 3. Y Tabla 1). Los puntos de la red están localizados en las esquinas de las celdas unitarias y en cualquiera de las caras o en el centro de la celda unitaria. Algunas características de una red son: Parámetro de red y Número de átomos por celda unitaria.

Parámetro de red: los parámetros de red, que describen el tamaño y la forma de las celdas, incluyen las dimensiones de los costados de la celda unitaria y los ángulos entre sus costados (Fig. 4). A menudo la longitud se da en nanómetros (nm), o en Angstroms (A°), donde:

Se requieren varios parámetros de red para definir el tamaño y la forma de celdas unitarias complejas.

Numero de átomos por celda unitaria: cada una de las celdas unitarias esta definida por un numero especifico de puntos de red. El número de puntos de red proveniente de todas las posiciones de esquinas de una celda unitaria es:

(1/8 (punto de red)/esquina)(8 esquinas/celda)=1 (punto de red)/(celda unitaria)

Fig. 3. Los 14 tipos

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