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1.1 Introducción a la estructura atómica y energía

de enlace

El objetivo de esta sección es describir los conceptos fundamentales relaciona-dos con la estructura de la materia. Se examina la estructura atómica 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-ría. El lector aprenderá que la estructura de los átomos 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 composición como la estructura de un material tienen una influen-cia profunda sobre sus propiedades y su comportamiento. Los ingenieros y loscientíficos que estudian y desarrollan materiales deben comprender su estructuraatómica. Veremos que las propiedades de los materiales se pueden controlar y que,en realidad, se pueden adaptar a las necesidades de determinada aplicación, me-diante el control de su estructura y composición. La estructura de los materialesse puede examinar y describir en cinco niveles diferentes:

1) Macroestructura,

2) Microestructura,

3) Nanoestructura,

4) Arreglos atómicos de corto y largo alcance y

5) Estructura atómica.

Los ingenieros y los científicos que se ocupan del desarrollo y las aplicacio-nes prácticas de materiales avanzados deben comprender la Microestructura y laMacroestructura de diversos materiales, así 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 características dentrode la que se describen las propiedades de un material o los fenómenos que sucedenen los materiales. En el caso normal, la Microestructura comprende propiedadescomo el tamaño promedio del grano, la distribución de ese tamaño, la orientaciónde los granos y otras propiedades relacionadas con los defectos en los materiales.(Un grano es una porción del material dentro de la cual el arreglo de los átomos

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

También es importante comprender la estructura atómica y la forma en que losenlaces atómicos producen distintos arreglos atómicos o iónicos en los materiales.La estructura atómica incluye todos los átomos 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 atómica y las configuraciones de enlace delos átomos y moléculas son esenciales para una buena selección de materiales deingeniería, así como para desarrollar nuevos materiales avanzados.

Un examen detenido del arreglo atómico permite distinguir entre materialesque son amorfos (que carecen de un orden de largo alcance de los átomos o iones) ocristalinos (los que tienen arreglos geométricos periódicos de átomos o iones). Losmateriales amorfos sólo tienen arreglos atómicos de corto alcance, mientras quelos materiales cristalinos tienen arreglos de corto y largo alcance. En los arreglosatómicos de corto alcance, los átomos o los iones muestran determinando ordensólo dentro de distancias relativamente cortas. Para los materiales cristalinos, elorden atómico de largo alcance tiene la forma de átomos o iones ordenados en unarreglo tridimensional que se repite a lo largo de distancias mucho mayores (desde∼ 100 nm hasta algunos centímetros).

La estructura de los materiales: importancia tecnológica

En el mundo actual hay muchas áreas, como la tecnología de la información,la biotecnología, la tecnología de la energía, del ambiente y muchas más, dondese requieren dispositivos cada vez más pequeños, más ligeros, más rápidos, por-tátiles, más eficientes, fiables, duraderos y poco costosos. Se requieren bateríasque sean más pequeñas, más ligeras y durables. Se necesitan automóviles 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 interés en la nanotecno-logía y en los sistemas micro-electromecánicos (MEMS por sus siglas en inglés).Un ejemplo de estos últimos en el mundo real es el sensor de aceleración que seobtiene con micromaquinado de silicio (Si). Este sensor se usa para medir la ace-leración en automóviles. La información se procesa en una computadora central,y después se usa para controlar la activación de la bolsa de aire. Las propiedades

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y el comportamiento de los materiales a estos niveles micro pueden variar mucho,en comparación 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 atención. El termino nanotecnología se usa para describir un conjunto detecnologías que se basan en fenómenos físicos, químicos y biológicos 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 característica aproximada que es importante para determi-nada aplicación). También se incluyen ejemplos de la forma como esa aplicaciónse usaría en la industria.

Ahora dirigiremos nuestra atención a los detalles concernientes a la estructurade los átomos, el enlace entre ellos y el modo en que forman una base de las pro-piedades de los materiales. La estructura atómica influye sobre la forma en que seenlazan los átomos entre si. La comprensión de esto ayuda a clasificar los mate-riales en metales, semiconductores, cerámicas o polímeros. También nos permitellegar a algunas conclusiones generales acerca de las propiedades mecánicas y loscomportamientos físicos de estas cuatro clases de materiales.

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Tabla 1.1: Niveles de estructuras

Nivel de estructura Ejemplo de tecnologías Escala aproximadade longitud

Estructura atómica 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 películas delgadasde diamante para proporcionar un filo resis-tente al desgaste para herramientas de corte.

hasta ∼ 1 Å.

Arreglos atómicos:orden de largo al-cance

Titanato de plomo y zirconio [Pb(ZrxTi1−x]o PZT: cuando los iones en este material searreglan de modo que tengan estructuras cris-talinas tetragonales o romboédricas, el mate-rial es piezoeléctrico: desarrolla un voltaje alsometerlo a presión o esfuerzo. Las cerámicasPZT se usan mucho en diversas aplicaciones,que incluyen encendedores de gas, generaciónde ultrasonido y control de vibraciones.

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

Arreglos atómicos:orden de corto al-cance

Iones en vidrio de sílice (SiO2) solo tienen or-den de corto alcance, donde los iones Si+4 yO−2 se arreglan de cierta manera: cada Si+4

esta enlazado con iones 4 O−2 en coordina-ción tetraédrica. Sin embargo, este orden nose mantiene en grandes distancias, y entoncesel vidrio de sílice es amorfo. Los vidrios de sí-lice amorfa, a base de sílice y de otros óxidosmetálicos, son la base de toda la industria decomunicaciones por fibras ópticas.

de 1 a 10 Å.

Nanoestructura Partículas con nanotamaño (∼ 5 a 10 nm) deóxido de hierro; se usan en ferrofluidos o enimanes líquidos. Estas partículas de oxido dehierro, de nanotamaño, se dispersan en líqui-dos y se usan comercialmente como ferroflui-dos. Una aplicación de esos imanes líquidos escomo medio de enfriamiento (transferencia decalor) en los altavoces.

1 a 100 nm.

Microestructura La resistencia magnética de muchos metalesy aleaciones depende mucho del tamaño delgrano. Los granos y los límites de grano dela micrografía adjunta de acero son parte delas características microestructurales de estematerial cristalino. En general, a temperatu-ra ambiente un grano más 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 automóviles y otras aplicacio-nes; se usan no solo por estética, sino para darresistencia a la corrosión.

∼ 1000 nm.

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