Estudio de las princiales redes cristalinas

Un estudio teórico identifica los factores químicos y estructurales que favorecen las interacciones de hidrógeno entre grupos carbono-hidrógeno.

La estructura cristalina es la forma de los sólidos el 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. 

redes bravías

Las Redes de Bravais o celdas unitarias, son paralelepípedos que constituyen la menor subdivisión de una red cristalina que conserva las características generales de toda la retícula ula, de modo que por simple traslación del mismo, puede reconstruirse el sólido cristalino completo.

En función de los parámetros de la celda unitaria, longitudes de sus lados y ángulos que forman, se distinguen 7 sistemas cristalinos. sistema cristalino 

sólido cristalino

se construye a partir de la repetición en el espacio de una estructura elemental paralelepipédica denominada celda unitaria. En función de los parámetros de red , es decir, de las longitudes de los lados, o ejes, del paralelepípedo elemental y de los ángulos que forman, se distinguen 7 sistemas cristalinos.

En función de las posibles localizaciones de los átomos en la celda unitaria se establecen catorce estructuras cristalinas básicas, las denominadas redes de Bravais.

para determinar completamente la estructura cristalina elemental de un sólido, además de definir la forma geométrica de la red, es necesario establecer las posiciones en la celda de los átomos o moléculas que forman el sólido cristalino; lo que se denominan puntos reticulares. Las alternativas son las siguientes

P: Celda primitiva o simple en la que los puntos reticulares son sólo los vértices del paralelepípedo.

F: Celda centrada en las cara, que tiene puntos reticulares en las caras, además de en los vértices. Si sólo tienen puntos reticulares en las bases, se designan con las letras A, B o C según sean las caras que tienen los dos puntos reticulares.

I: Celda centrada en el cuerpo que tiene un punto reticular en el centro de la celda, además de los vértices.

R: Primitiva con ejes iguales y ángulos iguales ó hexagonal doblemente centrada en el cuerpo, además de los vértices.

Estructura Cristalina y Amorfa

Estructura Cristalina y Amorfa

Un solido cristalino es aquel que tiene una estructura periódica y ordenada, que se expande en las tres direcciones del espacio, por lo que presenta un forma invariante, salvo por las variaciones de las fuerzas externas.

Se reconocen como cristalinos porque las partículas macroscópicas que los forman (los cristales) tienen formas regulares: si examinamos cristales de cloruro de sodio bajo una lente de aumento veremos que los cristales tienen forma de pequeños cubos.

Tipos de sólidos cristalinos:

Molecular

Los sólidos cristalinos moleculares se compone de moléculas las cuáles son mantenidas juntas por dispersión (o Londres), dipolo-dipolo y por las fuerzas de interpartículas con un enlace de hidrógeno.

Atómico

Estos sólidos son blandos, pobres conductores eléctricos y térmicos y tienen un bajo punto de fusión.

Ionico

Los sólidos cristalinos iónicos se componen de iones positivos y negativos mantenidos juntos por la atracción ion-ion, vienen en tres formas fundamentales: con agujeros trigonales, agujeros tetrahedrales y agujeros octohedrales.

El sólido amorfo es un estado solido de la materia, en el que las partículas que conforman el sólido carecen de una estructura ordenada. Estos sólidos carecen de formas bien definidas.

Al ver el cristal a escala molecular veríamos que sus moléculas están relativamente fijas en sus posiciones pero la disposición no es regular. Algo así como si mezcláramos muchas partículas de la misma forma con una melaza muy viscosa. Las partículas tendrían poca libertad de movimiento debido a la viscosidad del medio pero no estarían dispuestas regularmente.

Las moléculas de los sólidos amorfos están distribuidas al azar lo que se traduce en que las propiedades físicas macroscópicas del sólido sonisótropas, idénticas en todas las direcciones.

Los sólidos amorfos tienen una temperatura característica a la cual sus propiedades experimentan cambios importantes. Esta temperatura se conoce como temperatura de transición vítrea (Tg).

La principal diferencia entre un sólido cristalino y un sólido amorfo es su estructura. En un sólido cristalino existe una ordenación de los átomos a largo alcance, mientras que en los sólidos amorfos no se puede predecir donde se encontrará el próximo átomo. En este hecho se basan los diferentes métodos de diferenciación entre ambos tipos de sólido, que en algunos casos no es fácil de establecer a simple vista.

El problema de la elección de un material

Esta imagen es un claro ejemplo de una mala elección de un material, la imagen fue tomada minutos antes de que el transbordador challenger explotara por una falla en un anillo que evitaba que la explosión de ignición  del transbordador saliera al exterior, sin embargo como el anillo no sellaba bien, esto provoco que un cohete se desoldara y chocara con el tanque de oxigeno provocando la explosión del transbordador.

Cuando se diseña un material para una aplicación dada, deberán tomarse en consideración varios  factores.

-Físicos: Tamaño, forma, peso del material que se necesita, así como el espacio disponible para el componente lo que guardan relación con el tratamiento del material.

-Mecánicos: Tienen que ver con la capacidad del material para soportar los tipos de esfuerzos que se le imponen.

-Posibilidad de fabricación: Se relacionan con la capacidad de dar forma al material.

-Duración de los componentes: Se relacionan con el tiempo durante el cual los materiales desempeñan las funciones a las que han sido destinados, en el ambiente al que están expuestos.

-Costos y disponibilidad: En una economía impulsada por el mercado estos dos factores son inseparables.

-Códigos: son conjuntos de requisitos que se imponen al material y a otros componentes (ASME, ASTM, SAE)

Estos puntos son esenciales para poder evitar desastres como paso con el transbordador challenger.

Un diseñador de componentes siempre busca encontrar el material ideal para su componente. Se pueden mencionar, entre otras características, que un material ideal cumple con la siguiente lista de requisitos:

-Inagotable y siempre disponible para su reemplazo.

-Barato para refinar y producir.

-Fuerte, rígido, y dimensionalmente estable a diferentes temperaturas.

-Liviano.

-Resistente a la corrosión y al desgaste.

-Respetuoso con el medio ambiente y las personas. 

Relacion Estructural y Propiedades

➔Relación Estructural y Propiedades

Para comprender las propiedades de los materiales, es necesario comprender su estructura a escala atómica y/o microscópica. Virtualmente casi cada propiedad principal de los materiales es resultado directo de los mecanismos que tienen lugar a escala atómica o microscópica.

Existe un tipo especial de arquitectura asociada a estas escalas diminutas. La arquitectura a escala atómica de disposiciones cristalinas de átomos (regulares, repetitivas), y no cristalinas (irregulares aleatorias). Esto se puede apreciar en la imagen, de lado izquierdo se tienen unos ejemplos de estructuras no cristalinas o amorfas, y de lado derecho un ejemplo de estructura cristalina

En la siguiente imagen se muestra la naturaleza de la arquitectura a escala microscópica, en la que las fibras de refuerzo de un material compuesto de alta resistencia contrastan con la matriz polimérica que las rodea. 

Debe tenerse en cuenta la diferencia de escala entre los niveles atómico y microscópico. La estructura representada en la imagen anterior a una fotografía tomada a 1000 aumentos, mientras que la primera imagen correspondería a 10 000 000 de aumentos.

La influencia determinante que la estructura tiene en las propiedades se aprecia bien en dos ejemplos, uno a escala atómica y otro a escala microscópica. Se debe considerar que algunas aleaciones son relativamente dúctiles, mientras que otras son relativamente frágiles. Las aleaciones de aluminio son característicamente dúctiles, mientras que las aleaciones de magnesio son típicamente frágiles. Esta diferencia fundamental está directamente relacionada con su estructura cristalina, el aluminio corresponde a un empaquetamiento cúbico y el magnesio a un empaquetamiento hexagonal. La ductilidad depende de la facilidad con que se produce la deformación mecánica a escala atómica, y que hay cuatro veces más mecanismos para que exista deformación en el caso de la estructura cristalina del aluminio que en el magnesio. Esto es equivalente a tener cuatro veces más posibilidades o caminos disponibles para la ductilidad en aleaciones base aluminio que en aleaciones de magnesio. 

Un avance significativo es en el desarrollo de cerámicos transparentes, lo que ha hecho posible obtener nuevos productos y mejoras apreciables en otros (por ejemplo, en la iluminación comercial).

Ejemplo

Para convertir los cerámicos tradicionalmente opacos (Al2O3) )  en materiales ópticamente transparentes se precisa un cambio fundamental en la arquitectura a escala microscópica

Las cerámicas tradicionales contienen una gran cantidad de porosidad provoca una pérdida de la capacidad para transmitir luz visible ya que es  un mecanismo de dispersión de la luz. La eliminación de la porosidad se consigue añadiendo una pequeña cantidad de impureza que hace que el proceso de densificación a alta temperatura de los polvos de Al2O3 se complete totalmente. La microestructura resultante, libre de poros, produce un material prácticamente transparente.