1. 2.7.7 Estructura amorfa.1: 442
1. ¿Qué son los Materiales Amorfos?
Los materiales amorfos no son algo nuevo de nuestra vida diaria. La misión del
Apolo recuperó uno de esos materiales desde la superficie lunar, que data de
millones de años, por lo cual no nos debe extrañar que los hombres hayan
podido crear materiales vítreos (principalmente de silicio) por cientos de años.
Surgirá aquí la pregunta de saber: ¿por qué hoy se habla tanto de estos
materiales? Su respuesta radica en el estudio científico de los mismos, en las
nuevas formas de obtención y en las considerables características y promesas
tecnológicas, que en el futuro, prometen quizás un rol más protagónico en el
desarrollo de materiales.
Quizás lo más importante de este tipo de materiales se pueden resumir en dos
cosas:
1. Aspecto científico del material. Una gran diversidad de materiales
pueden ser reconocidos como amorfos. Pero existe una gran discusión
en la definición científica de los materiales amorfos y el conocimiento
popular de este tipo de materiales. Existe una confusión entre la
propiedad de ser amorfo y materiales amorfos por definición. El apodo
de "amorfo" se asocia a una característica exclusiva del mundo de los
vidrios, por eso suelen llamar a los materiales amorfos como vidrios.
Mientras que otros critican esta visión, ya que sostienen que los vidrios
son simplemente materiales transparentes ubicados en las ventanas.
2. Fundamento físico de estos materiales, es decir, sus propiedades
físicas. Por ejemplo: su banda energética, sus propiedades eléctricas y
magnéticas. Características que son únicas de ellos y no son claras en
los sólidos cristalinos.
Profundizando estos dos aspectos de discusión, hoy en día podemos avanzar
el mundo científico y, por supuesto, aprovechar su aplicación tecnológica.
Podemos expresar más científicamente, que los materiales amorfos son
sustancias que al ser sometidas a experimentación, ponen de manifiesto: su
resistencia a la fluencia, característica del estado cristalino (sin presentar
una tendencia a asumir la forma geométrica de los cristales ya que presentan
poca o ninguna organización estructural).
Sus moléculas están evidentemente distribuidas al azar y las propiedades
físicas del sólido son idénticas en todas direcciones (isótropo).
Ocasionalmente estas sustancias evidencian las propiedades elásticas de los
cristales, por ejemplo en una escala considerable su expansión puede ser
proporcional a la tensión aplicada. Frecuentemente, si una carga se aplica al
material (aunque sea relativamente liviana) y por un intervalo razonable de
tiempo, la sustancia desarrollará una deformación pseudo-permanente, es
decir, fluirá como si fuera un líquido de viscosidad extremadamente alta.
Cuando se les calienta, tales sustancias no evidencian un punto de fusión,
2. aunque se ablandan progresivamente, aumentando con relativa rapidez la
tendencia a una deformación permanente bajo carga.
Los sólidos amorfos pueden ser considerados también como sustancias
líquidas sobreenfriadas. En muchos casos pueden ser preparados del estado
líquido por enfriamiento, aunque esto es a menudo difícil, debido
generalmente a la inestabilidad térmica: las temperaturas necesarias para
alcanzar un alto grado de fluidez. Una justificación de que se los considere
como líquidos sobreenfriados se refiere al hecho de que sus características de
flujo se pueden anticipar extrapolando los valores según la tendencia de la
curva de viscosidad. En otras palabras, si un líquido puede ser enfriado
rápidamente, sin que cristalice, su viscosidad tiende a aumentar hasta un valor
muy elevado. Tan elevado que el flujo bajo una presión moderada puede
volverse despreciable y difícil de medir experimentalmente.
Este tipo de materiales posee un alto grado de aleatoriedad. La gran pregunta
es: ¿cuál es el tipo de desorden y magnitud de este tipo de material?
La aleatoriedad se puede caracterizar de distintas formas, por ejemplo: de
acuerdo a la geometría del material, al spin, al desorden vibracional de los
átomos. Este desorden lo podemos entender mejor al compararlo con la forma
estándar de un cristal perfecto, en el que un grupo de átomos se
encuentran arreglados como parte de un modelo periódico en tres
dimensiones y de extensión infinita.
Con esta definición, para que un material sea considerado como un cristal
imperfecto le bastaría ser simplemente finito, con claros defectos en su
estructura geométrica como: vacancias, huecos intersticiales, dislocaciones
atómicas, (de cualquier modo la forma de desorden concerniente a ellas son
más drásticas por las pequeñas perturbaciones que se producen en su
estructura, lo que veremos más adelante).
El desorden geométrico debido a la aleatoriedad es producto de la no-
periodicidad de su estructura, es por esto que los materiales no presentan un
orden de largo alcance. Estos materiales como lo mencionamos anteriormente
presentan también una aleatoriedad en el sentido del spin y en su comparación
con el spin de los cristales perfectos.
En cuanto a la vibración atómica podemos decir que al compararlo con un
cristal perfecto (este concepto es solo válido a cero Kelvin), sabemos que ellos
están afectos al movimiento aleatorio de sus átomos cerca de la posición de
equilibrio destruyendo la perfecta periodicidad del cristal perfecto cuando es
sometido a cualquier temperatura finita. Este desorden vibracional no se
traduce en un completo desorden geométrico.
En resumen podemos decir que los materiales amorfos no tienen periodicidad
de largo alcance, pero si hay de corto alcance. El material amorfo más
representativo es el vidrio. No debemos olvidar que los materiales amorfos
pueden ser obtenidos mediante diversas técnicas (distintas proporciones de
3. elementos constituyentes según los huecos intersticiales de los átomos de la
estructura base).
Aunque estos materiales existen desde hace cientos de años, el estudio y
desarrollo de ellos se considera reciente y su utilización se considera
fundamentalmente porque es un material con buenas propiedades
electromagnéticas entre otras y es económico
Esta interpretación de las estructuras de los sólidos amorfos, es confirmada por
el examen el método de difracción de rayos x. Así pues, si un rayo de luz
visible pasa a través de una lámina de vidrio, sobre cuya superficie se ha
trazado un número relativamente grande de líneas paralelas, el rayo se desvía
dependiendo del ángulo de desviación, de la distancia entre las líneas y del
largo de onda de luz. Siendo así los rayos x de escala apropiada son capaces
de determinar cuantitativamente la distribución de los átomos en la estructura
de los cristales. Por ejemplo: el análisis con rayos x ha evidenciado también
que los cristales se dividen en tres clases principales: los cristales nomopolares
o covalentes, los cristales polares o heteropolares. Los estudios con rayos x
dan espectros de difracción claros y preciso, lo que indica una orientación
definida de los átomos o moléculas, los sólidos amorfos por su parte, dan
normalmente espectros indefinidos, similares a los de los líquidos, lo que indica
una distribución desorganizada, al azar, aunque en casos especiales se
obtiene una evidencia de un arreglo parcial (ejemplo: espectro de fibra). El
examen con rayos x se ha desarrollado como uno de los más importantes
métodos de investigación de sustancias amorfas. Muchos sólidos cristalinos
que se deforman reversiblemente, con pequeñas presiones, fluirán como los
sólidos amorfos, con grandes presiones. (que se verá a continuación)
El grupo de substancias clasificadas como sólidos amorfos, incluye un número
extraordinario de gran importancia técnica particularmente para la construcción.
Muchos de ellos son mecánicamente resistentes, duros y extraordinariamente
resistentes a la acción química y física, poseen propiedades elásticas valiosas.
2. Métodos de Obtención de Sólidos Amorfos
Por mucho tiempo se pensaba que sólo una pequeña cantidad de materiales
podían ser preparados para formar sólidos amorfos, era común referirse a
estas sustancias como "especiales", como " sólidos formadores de vidrios" (por
ejemplo: óxidos de vidrio y los polímeros orgánicos). Esta noción es errónea, y
hoy se conoce como una propiedad universal de la materia , se le llama la
capacidad o tendencia a formar sustancias amorfas. El estado de sólido
amorfo es ubicuo.
La tabla 2.1 presenta un listado de sólidos amorfos con su respectivo tipo de
enlace y la temperatura representativa de su transición a estado amorfo (ya
que se trata de una vecindad de temperaturas más precisamente).
4. Tabla 2.1 Algunos sólidos amorfos, su tipo de enlace y su temperatura
crítica de formación del amorfo.
Sustancia Tipo de Tg Sustancia Tipo de Tg (°K)
Amorfa Enlace (°K) amorfa Enlace
SiO2 Covalente 1430 Poliestireno Polimérico 370
Covalente
GeO2 Covalente 820 Se Polimérico 310
Si, Ge Metálico - Au0.8 Si0.2 Metálico 290
Pd0.4 Ni0.4 P0.2 Iónico 580 H2O Enlace de H 140
BeF2 Covalente 570 C2H5OH Enlace de H 90
As2S3 470 Isopentano Van der Waals 65
Fe,Co,Bi Metálico -
La idea correcta (expresado pe por D. Turnbull en un paper en el año 1969) es
el siguiente: "Probablemente todos los materiales pueden, si se enfrían
con la suficiente rapidez y lejanía de la temperatura crítica, ser
transformados en sólidos amorfos".
Este punto de vista ha sido ampliamente apoyado en los últimos años, por la
gran variedad de materiales de los cuales se han obtenido sólidos amorfos.
Evidentemente, la mejor muestra a la ubicuidad de este estado de la materia
condensada son las aleaciones metálicas. Porque los metales tienden a
ordenarse en estructuras simples (existen muchas maneras de estructurarse en
cristales), la proliferación de aleaciones o vidrios metálicos muestra el
importante desarrollo de la experimentación en este campo.
Tradicionalmente, los "formadores de vidrios" han sido materiales asociados
con una clase de estructura molecular muy compleja, como los vidrios
orgánicos compuestos por grupos de cadenas poliméricas. Los metales han
sido estudiados por su simpleza y facilidad de generación de sustancias
amorfas.
Existen varios métodos de obtención de ese tipo de material, pero el más
antiguo y más usado hoy en día es el de la fundición templada. Este método
tiene algunas variaciones que han llevado a otros métodos como son:
4.1. Templado al aire
4.2. Templado con líquido
5. 4.3. Bloque congelador (en el que se distinguen el "splat-cooling" y el
templado giratorio o extracción)
4.4. Evaporación
2.-ESTRUCTURA AMORFA: cuando las partículas se sitúan en el
espacio de forma desordenada
En cristalografía, rama de la física de los sólidos, tradicionalmente se
distinguen dos tipos de estructura: amorfa y cristalina. La estructura
amorfa, de la que el vidrio es un ejemplo habitual, se presenta como un
amontonamiento caótico de subestructuras idénticas. La estructura cristalina
se presenta en forma de repetición de subestructuras estrictamente
periódicas, en las que domina el paralelismo; el cuarzo es el ejemplo más
habitual.
Por otra parte, en los cristales se distingue un orden a larga distancia, con
una organización rigurosamente periódica de las subestructuras, en tanto
que en las estructuras amorfas, las subestructuras siguen líneas
quebradas al azar y el orden sólo se discierne a corta distancia.
En la difracción también se refleja esta diferencia; la imagen que produce un
haz de partículas -fotones, electrones, neutrones- que incide en un cristal
amorfo conlleva un punto de impacto central, que corresponde a las
partículas no desviadas, rodeado de anillos que corresponden a las
distancias medias que son las más frecuen
Los materiales de laL fase amorfa (sustancias pécticas, hemicelulosas y
proteínas) son transportados por orgánulos celulares denominados
dictiosomas.tes entre los átomos.
Fase amorfa. Formada por hemicelulosas, polisacáridos no celulósicos
[xilana, glucana, galactana, manana, fructana], compuestos pécticos y
glucoproteínas. Puede lignificarse.
El análisis de difracción de rayos X revela una estructura amorfa, conteniendo
trazas de níquel. La microscopia electrónica de barrido muestra escasos sitios
cristalinos con tendencia a un arreglo hexagonal
http://members.tripod.com "Polímeros"
http://www.fvet.uba.ar (Universidad de Buenos Aires).
http://html.rincondelvago.com/materia-mineral.html
http://www.biologia.edu.ar/botanica/tema7/7-3pared2.htm
