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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 objeto
de 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 enlaces
que mantienen unidos a los materiales. Estos distintos tipos de enlaces afectan
en forma directa la aptitud de los materiales en las aplicaciones ingenieriles en el
mundo real.
Tanto la composición como la estructura de un material tienen una influen-
cia profunda sobre sus propiedades y su comportamiento. Los ingenieros y los
científicos que estudian y desarrollan materiales deben comprender su estructura
atómica. 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 materiales
se 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 la
Macroestructura de diversos materiales, así como la forma de controlarlas. La Mi-
croestructura es la estructura del material a una escala de longitud de ∼ 10 a
1000 nm. La escala de longitud o intervalo de dimensiones características dentro
de la que se describen las propiedades de un material o los fenómenos que suceden
en los materiales. En el caso normal, la Microestructura comprende propiedades
como el tamaño promedio del grano, la distribución de ese tamaño, la orientación
de 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 que
constituyen la Macroestructura están la porosidad, los recubrimientos superficiales
y las microgrietas internas o externas.
También es importante comprender la estructura atómica y la forma en que los
enlaces atómicos producen distintos arreglos atómicos o iónicos en los materiales.
La estructura atómica incluye todos los átomos y sus arreglos, que constituyen
los bloques estructurales de la materia. A partir de estos bloques estructurales
emergen todos los nanos, micro y macroniveles de estructura. Las perspectivas
obtenidas al comprender la estructura atómica y las configuraciones de enlace de
los átomos y moléculas son esenciales para una buena selección de materiales de
ingeniería, así como para desarrollar nuevos materiales avanzados.
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 sólo 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 los iones muestran determinando orden
sólo 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).
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, donde
se requieren dispositivos cada vez más pequeños, más ligeros, más rápidos, por-
tátiles, más eficientes, fiables, duraderos y poco costosos. Se requieren baterías
que sean más pequeñas, más ligeras y durables. Se necesitan automóviles que sean
relativamente asequibles, ligeros, seguros, con alto rendimiento de combustible y
equipados con muchas funciones avanzadas, desde sistemas de posicionamiento
global 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 se
obtiene 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, la
estructura y las propiedades de los materiales a una nanoescala, o una escala de
longitud 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 de
tecnologías que se basan en fenómenos físicos, químicos y biológicos que suceden
en la nanoescala.
Las aplicaciones que se muestran en la tabla 1.1 se ilustra la importancia de
los 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 de
longitud (la longitud característica aproximada que es importante para determi-
nada aplicación). También se incluyen ejemplos de la forma como esa aplicación
se usaría en la industria.
Ahora dirigiremos nuestra atención a los detalles concernientes a la estructura
de 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 se
enlazan los átomos entre si. La comprensión de esto ayuda a clasificar los mate-
riales en metales, semiconductores, cerámicas o polímeros. También nos permite
llegar a algunas conclusiones generales acerca de las propiedades mecánicas y los
comportamientos físicos de estas cuatro clases de materiales.
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Tabla 1.1: Niveles de estructuras
Nivel de estructura Ejemplo de tecnologías Escala aproximada
de longitud
Estructura atómica Diamante: El diamante se basa en enlaces co-
valentes carbono-carbono(C-C). Se espera que
los materiales con esta clase de enlaces sean re-
lativamente duros. Se usan películas delgadas
de 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 se
arreglan de modo que tengan estructuras cris-
talinas tetragonales o romboédricas, el mate-
rial es piezoeléctrico: desarrolla un voltaje al
someterlo a presión o esfuerzo. Las cerámicas
PZT se usan mucho en diversas aplicaciones,
que incluyen encendedores de gas, generación
de ultrasonido y control de vibraciones.
∼ 1 a 10 Å; puede
existir ordenamien-
to hasta en varios
cm, en los cristales
mayores.
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
y
O−2
se arreglan de cierta manera: cada Si+4
esta enlazado con iones 4 O−2
en coordina-
ción tetraédrica. Sin embargo, este orden no
se mantiene en grandes distancias, y entonces
el vidrio de sílice es amorfo. Los vidrios de sí-
lice amorfa, a base de sílice y de otros óxidos
metálicos, son la base de toda la industria de
comunicaciones por fibras ópticas.
de 1 a 10 Å.
Nanoestructura Partículas con nanotamaño (∼ 5 a 10 nm) de
óxido de hierro; se usan en ferrofluidos o en
imanes líquidos. Estas partículas de oxido de
hierro, de nanotamaño, se dispersan en líqui-
dos y se usan comercialmente como ferroflui-
dos. Una aplicación de esos imanes líquidos es
como medio de enfriamiento (transferencia de
calor) en los altavoces.
1 a 100 nm.
Microestructura La resistencia magnética de muchos metales
y aleaciones depende mucho del tamaño del
grano. Los granos y los límites de grano de
la micrografía adjunta de acero son parte de
las características microestructurales de este
material cristalino. En general, a temperatu-
ra ambiente un grano más fino conduce a una
resistencia mayor. Muchas propiedades impor-
tantes de los materiales son sensibles a la mi-
croestructura.
10 a 1000 nm.
Macroestuctura Recubrimientos relativamente gruesos, como
las pinturas en automóviles y otras aplicacio-
nes; se usan no solo por estética, sino para dar
resistencia a la corrosión.
∼ 1000 nm.
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