Ciencias de los materiales

1. República Bolivariana de Venezuela
Ministerio del Poder Popular para la Educación
I.U.P. “Santiago Mariño”
Extensión Porlamar

2. ÁTOMO
Un átomo es la unidad constituyente más pequeña de la materia que tiene las
propiedades de un elemento químico. Cada sólido, líquido, gas y plasma se compone de
átomos neutros o ionizados. Los átomos son muy pequeños; los tamaños típicos son
alrededor de 100 pm (diez mil millonésima parte de un metro).No obstante, los átomos no
tienen límites bien definidos y hay diferentes formas de definir su tamaño que dan valores
diferentes pero cercanos. Los átomos son lo suficientemente pequeños para que la física
clásica dé resultados notablemente incorrectos. A través del desarrollo de la física, los
modelos atómicos han incorporado principios cuánticos para explicar y predecir mejor su
comportamiento.

3. ESTRUCTURA ATÓMICA
• Partículas subatómicas: A pesar de que átomo significa ‘indivisible’, en realidad está formado por
varias partículas subatómicas. El átomo contiene protones, neutrones y electrones, con la excepción
del hidrógeno-1, que no contiene neutrones, y del catión hidrógeno o hidrón, que no contiene
electrones. Los protones y neutrones del átomo se denominan nucleones, por formar parte del núcleo
atómico.
El electrón es la partícula más ligera de cuantas componen el átomo, con una masa de 9,11
· 10−31 kg. Tiene una carga eléctrica negativa, cuya magnitud se define como la carga eléctrica
elemental, y se ignora si posee subestructura, por lo que se lo considera una partícula elemental. Los
protones tienen una masa de 1,67 · 10−27 kg, 1836 veces la del electrón, y una carga positiva opuesta
a la de este. Los neutrones tienen una masa de 1,69 · 10−27 kg, 1839 veces la del electrón, y no
poseen carga eléctrica. Las masas de ambos nucleones son ligeramente inferiores dentro del núcleo,
debido a la energía potencial del mismo; y sus tamaños son similares, con un radio del orden de 8 ·
10−16 m o 0,8 femtómetros (fm).7

4. • El núcleo atómico: Los protones y neutrones de un
átomo se encuentran ligados en el núcleo atómico, en
la parte central del mismo. El volumen del núcleo es
aproximadamente proporcional al número total de
nucleones, el número másico A, lo cual es mucho
menor que el tamaño del átomo, cuyo radio es del
orden de 105 fm o 1 ångström (Å). Los nucleones se
mantienen unidos mediante la fuerza nuclear, que es
mucho más intensa que la fuerza electromagnética a
distancias cortas, lo cual permite vencer la repulsión
eléctrica entre los protones.
Los átomos de un mismo elemento tienen
el mismo número de protones, que se denomina
número atómico y se representa por Z. Los átomos de
un elemento dado pueden tener distinto número de
neutrones: se dice entonces que son isótopos. Ambos
números conjuntamente determinan el núclido.

5. • Nube de electrones: Los cinco primeros orbitales
atómicos.
Los electrones en el átomo son atraídos por los
protones a través de la fuerza electromagnética. Esta fuerza
los atrapa en un pozo de potencial electrostático alrededor del
núcleo, lo que hace necesaria una fuente de energía externa
para liberarlos. Cuanto más cerca está un electrón del núcleo,
mayor es la fuerza atractiva, y mayor por tanto la energía
necesaria para que escape.
Los electrones, como otras partículas, presentan
simultáneamente propiedades de partícula puntual y de onda,
y tienden a formar un cierto tipo de onda estacionaria
alrededor del núcleo, en reposo respecto de este. Cada una de
estas ondas está caracterizada por un orbital atómico, una
función matemática que describe la probabilidad de encontrar
al electrón en cada punto del espacio. El conjunto de estos
orbitales es discreto, es decir, puede enumerarse, como es
propio en todo sistema cuántico. La nube de electrones es la
región ocupada por estas ondas, visualizada como una
densidad de carga negativa alrededor del núcleo.

6. ESTRUCTURA CRISTALINA
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 anisótropas 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.
Estructura de un cristal de cloruro de sodio, un típico
ejemplo de un compuesto iónico. Las esferas púrpuras
son cationes de sodio, y las esferas verdes son aniones de
cloruro.

7. CELDA UNITARIA
La estructura cristalina de un material (la disposición de los átomos dentro de un
tipo dado de cristal) se puede describir en términos de su celda unitaria. La celda unitaria es
una pequeña caja que contiene uno o más átomos dispuestos en 3 dimensiones. Las celdas
unitarias apiladas en un espacio tridimensional describen la disposición en masa de los átomos
del cristal. La célula unitaria está representada en términos de sus parámetros de red, que son
las longitudes de los bordes celulares (a, b y c) y los ángulos entre ellos (alfa, beta y gamma),
mientras que las posiciones de los átomos dentro de la celda unitaria se describen por el
conjunto de posiciones atómicas (xi, yi, zi) medidas desde un punto de red. Comúnmente, las
posiciones atómicas se representan en términos de coordenadas fraccionales, en relación con
las longitudes de la celda unitaria.

8. PLANOS Y DIRECCIONES
Las direcciones cristalográficas son líneas geométricas que unen nodos (átomos, iones o
moléculas) de un cristal. Del mismo modo, los planos cristalográficos son planos geométricos que unen
nodos. Algunas direcciones y planos tienen una mayor densidad de nodos. Estos planos de alta
densidad tienen una influencia en el comportamiento del cristal como sigue:
- Propiedades ópticas: El índice de refracción está directamente relacionado con la densidad (o
fluctuaciones de densidad periódicas).
- Adsorción y reactividad: La adsorción física y las reacciones químicas se producen en o cerca de
átomos o moléculas de superficie. Estos fenómenos son, por tanto, sensibles a la densidad de nodos.
- Tensión superficial: La condensación de un material significa que los átomos, iones o moléculas son
más estables si están rodeados por otras especies similares. Por lo tanto, la tensión superficial de una
interfaz varía de acuerdo con la densidad de la superficie.
- Planos cristalográficos densos
- Defectos microestructurales: Los poros y las cristalitos tienden a tener límites rectos después de
planos de mayor densidad.
- Escote: Esto ocurre típicamente sobretodo en paralelo a los planos de mayor densidad.
- Deformación plástica: El deslizamiento de la dislocación ocurre preferentemente paralelo a los
planos de mayor densidad. La perturbación llevada por la dislocación (vector Burgers) es a lo largo de
una dirección densa. El cambio de un nodo en una dirección más densa requiere una menor distorsión
de la red cristalina.

9. ESTRUCTURAS CÚBICAS
Para el caso especial de los cristales cúbicos simples, los vectores reticulares son ortogonales
y de igual longitud (usualmente denominados a); Similarmente para el retículo recíproco. Así pues, en
este caso común, los índices de Miller (ℓmn) y [ℓmn] indican simplemente normales / direcciones en
coordenadas cartesianas. Para los cristales cúbicos con una constante de celosía a, la separación d entre
planos de celdas adyacentes (ℓmn) es (desde arriba):
𝑑𝑙𝑚𝑛 = 𝑎 ÷ 𝑙2 + 𝑚2
+ 𝑛2
Debido a la simetría de los cristales cúbicos, es posible cambiar el lugar y el signo de los
enteros y tener direcciones y planos equivalentes:
Las coordenadas en corchetes angulares tales como ⟨100⟩ indican una familia de direcciones
que son equivalentes debido a operaciones de simetría, tales como [100], [010], [001] o el negativo de
cualquiera de esas direcciones.
Las coordenadas entre corchetes como {100} denotan una familia de normales planos que son
equivalentes debido a operaciones de simetría, de la misma manera que los corchetes angulares indican
una familia de direcciones.

10. DEFECTOS E IMPUREZAS
Los cristales reales presentan defectos o irregularidades en sus disposiciones
ideales y son estos defectos los que determinan críticamente muchas de las propiedades
eléctricas y mecánicas de los materiales reales. Cuando un átomo sustituye a uno de los
principales componentes atómicos dentro de la estructura cristalina, puede producirse una
alteración en las propiedades eléctricas y térmicas del material. Las impurezas también pueden
manifestarse como impurezas de spin en ciertos materiales. La investigación sobre las
impurezas magnéticas demuestra que una alteración sustancial de ciertas propiedades, como el
calor específico, puede verse afectada por pequeñas concentraciones de una impureza, como
por ejemplo las impurezas en las aleaciones ferromagnéticas semiconductoras pueden
conducir a propiedades diferentes tal como se predijeron por primera vez a finales de los años
sesenta. Las dislocaciones en la red cristalina permiten cortar a una tensión inferior a la
necesaria para una estructura cristalina perfecta.

11. PREDICCIÓN DE LA ESTRUCTURA
La dificultad de predecir estructuras cristalinas estables basadas en el conocimiento solo de
la composición química ha sido durante mucho tiempo un obstáculo en el camino hacia el diseño de
materiales totalmente computacionales. Ahora, con algoritmos más potentes y computación de alto
rendimiento, se pueden predecir estructuras de complejidad media utilizando enfoques tales como
algoritmos evolutivos, muestreo aleatorio o metadinámica.
Las estructuras cristalinas de los sólidos iónicos simples (por ejemplo, NaCl o sal de mesa)
se han racionalizado durante mucho tiempo en términos de las reglas de Pauling, establecidas por
primera vez en 1929 por Linus Pauling, a quien muchos han llamado "padre del vínculo químico"
Pauling también consideró la naturaleza de las fuerzas interatómicas en los metales y concluyó que
alrededor de la mitad de los cinco d-orbitales de los metales de transición están involucrados en la
unión, siendo los restantes d-orbitales no vinculantes responsables de las propiedades magnéticas. Por lo
tanto, fue capaz de correlacionar el número de d-orbitales en la formación de enlaces con la longitud del
enlace, así como muchas de las propiedades físicas de la sustancia. Posteriormente introdujo el orbital
metálico, un orbital extra necesario para permitir la resonancia desinhibida de los enlaces de valencia
entre varias estructuras electrónicas.

12. POLIMORFISMO
El polimorfismo es la ocurrencia de múltiples formas cristalinas de un material. Se encuentra
en muchos materiales cristalinos incluyendo polímeros, minerales y metales. Según las reglas de Gibbs de
equilibrio de fase, estas fases cristalinas únicas dependen de variables intensivas como la presión y la
temperatura. El polimorfismo está relacionado con la alotropía, que se refiere a los sólidos elementales.
La morfología completa de un material se describe por polimorfismo y otras variables tales como hábito
de cristal, fracción amorfa o defectos cristalográficos. Los polimorfos tienen diferentes estabilidades y
pueden convertir espontáneamente desde una forma metaestable (o forma termodinámicamente inestable)
a la forma estable a una temperatura particular. También exhiben diferentes puntos de fusión,
solubilidades y patrones de difracción de rayos X.
Un buen ejemplo de esto es la forma de cuarzo del dióxido de silicio, o SiO2. En la gran mayoría de los
silicatos, el átomo de Si muestra una coordinación tetraédrica por 4 oxígenos. Todas excepto una de las
formas cristalinas implican unidades tetraédricas {SiO4} unidas entre sí por vértices compartidos en
diferentes arreglos. En diferentes minerales, los tetraedros muestran diferentes grados de interconexión y
polimerización. Por ejemplo, ocurren solos, unidos entre sí, en grupos finitos más grandes, incluyendo
anillos, cadenas, cadenas dobles, láminas y estructuras tridimensionales. Los minerales se clasifican en
grupos basados ​​en estas estructuras. En cada una de sus 7 formas cristalinas termodinámicamente estables
o polimorfos de cuarzo cristalino, sólo 2 de cada 4 de cada uno de los bordes de los tetraedros {SiO4} se
comparten con otros, dando la fórmula química neta para la sílice: SiO2.

13. Otro ejemplo es el estaño elemental (Sn), que es maleable cerca de las temperaturas
ambiente pero es quebradizo cuando se enfría. Este cambio en las propiedades mecánicas debido a la
existencia de sus dos principales alótropos, α- y β-estaño. Los dos alótropos que se encuentran a
presión y temperatura normales, α-estaño y β-estaño, se conocen más comúnmente como estaño gris y
lata blanca respectivamente. Dos alotropos más, γ y σ, existen a temperaturas por encima de 161 ° C y
presiones por encima de varios GPa. El estaño blanco es metálico, y es la forma cristalina estable en o
por encima de la temperatura ambiente. Por debajo de 13,2 ° C, el estaño existe en forma gris, que tiene
una estructura cristalina cúbica de diamante, similar a diamante, silicio o germanio. El estaño gris no
tiene propiedades metálicas en absoluto, es un material en polvo gris mate y tiene pocos usos, aparte de
unas pocas aplicaciones de semiconductores especializados. Aunque la temperatura de transformación
α-β del estaño es nominalmente 13,2 ° C, las impurezas (por ejemplo, Al, Zn, etc.) disminuyen la
temperatura de transición muy por debajo de 0 ° C y tras la adición de Sb o Bi la transformación puede
no ocurrir en absoluto.

14. PROPIEDADES FÍSICAS
Veinte de las 32 clases de cristal son piezoeléctricas, y los cristales
pertenecientes a una de estas clases (grupos de puntos) muestran piezoelectricidad. Todas
las clases piezoeléctricas carecen de un centro de simetría. Cualquier material desarrolla
una polarización dieléctrica cuando se aplica un campo eléctrico, pero una sustancia que
tiene tal separación de carga natural incluso en ausencia de un campo se denomina
material polar. El hecho de que un material sea polar o no está determinado únicamente
por su estructura cristalina. Sólo 10 de los 32 grupos de puntos son polares. Todos los
cristales polares son piroeléctricos, por lo que las 10 clases de cristal polar se denominan
a veces clases piroeléctricas.