Este documento describe los diferentes niveles estructurales de la materia, desde los átomos hasta las propiedades macroscópicas. Explica conceptos clave de la cristalografía como las redes de Bravais, las direcciones cristalográficas, los planos cristalinos y las estructuras de los materiales cristalinos como los metales, cerámicos y polímeros. También cubre temas como la simetría, defectos y propiedades dependientes e independientes de la microestructura.

1. Estructura Nanométrica
Niveles estructurales de la materia y propiedades. Propiedades
sensibles e insensibles Nanoestructura materiales cristalinos ysensibles e insensibles. Nanoestructura, materiales cristalinos y
amorfos, conceptos de cristalografía, simetría, red espacial y motivos,
redes de Bravais, características de las diferentes estructuras, factor de
empaquetamiento, sitios intersticiales, direcciones y planos
cristalográficos, cristales metálicos, cristales cerámicos, cristales
poliméricospoliméricos.

2. Estructura de los materialesEstructura de los materiales
Á
(Moléculas)
Amorfos
Granos Cristalinos
Superestructuras
Electrones
Átomo
(Å)
Amorfos
Cristales
( )
Defectos
Etc.
Electrones
Neutrones
Protones
(nm)
(m)
Propiedadesp
electrónicas,
Magnéticas,
Eléctricas
Propiedades
insensibles a la
microestructura
Propiedades
sensibles a la
microestructura
Introducción a la ciencia en ingeniería de materiales2
Eléctricas,
etc.
microestructura microestructura

3. Cristales y simetría externaCristales y simetría externa
Ver modelos y animaciones en S.Weber's Crystal gallery
http://www.jcrystal.com/steffenweber/
Introducción a la ciencia en ingeniería de materiales3

4. Conceptos de CristalografíaConceptos de Cristalografía
 Estructura periódica o repetitiva.
 Orden de largo alcance (alrededores idénticos)
 Resulta de la organización periódica de puntos en el espacio, a la
cual se le asocia un motivo molecular
Introducción a la ciencia en ingeniería de materiales4
Maurits Cornelis Escher (1898-1972)
Profundidad (1955)

5. Representación geométrica de
la estructura cristalina
 El sistema es tal que puede ser descrito por una celda unidad El sistema es tal que puede ser descrito por una celda unidad
 Celdas unidad que contienen un único punto de la red (mínimo
volumen posible) se llaman celdas primitivas
 En el espacio seis parámetros (a b c   ) En el espacio, seis parámetros (a, b, c, , , )
Introducción a la ciencia en ingeniería de materiales5

6. En el interior de una estructuraEn el interior de una estructura
Introducción a la ciencia en ingeniería de materiales6

7. Las redes de BravaisLas redes de Bravais
 Bravais demostró que solo
hay catorce tipos de redes o
formas únicas posibles enformas únicas posibles en
las que los puntos pueden
distribuirse periódicamente
en el espacio
 La condición de orden de
largo alcance limita lalargo alcance limita la
cantidad de geometrías
posibles.A Bravais (1811 1863)
Introducción a la ciencia en ingeniería de materiales7
posibles.A. Bravais (1811-1863)

8. Catorce redes tridimensionalesCatorce redes tridimensionales
Introducción a la ciencia en ingeniería de materiales8

9. Empaquetamiento y CoordinaciónEmpaquetamiento y Coordinación
Nc = Cantidad de vecinos más próximos
lddlú
átomosdevolúmen
F 
Introducción a la ciencia en ingeniería de materiales9
celdadevolúmen

10. ApilamientoApilamiento
 Características de apilamiento  Estructuras compactas
Introducción a la ciencia en ingeniería de materiales10

11. Sitios intersticialesSitios intersticiales
Introducción a la ciencia en ingeniería de materiales11

12. Direcciones o filas reticularesDirecciones o filas reticulares
 Es posible definir filas reticulares como Es posible definir filas reticulares, como
sucesiones de nodos alineados, los cuales
cumplen la condición:
 Definida por un vector que parte del origen
y pasa por al menos un átomo. [u v w]
 Se definen familias de direcciones como
grupos de direcciones con las mismas
propiedades. P. ej. : en sistema cúbico:

Introducción a la ciencia en ingeniería de materiales12
<1 0 0>  [100], [010], [001], [100], [010], [001].

13. Planos cristalográficosPlanos cristalográficos
 También es posible
distinguir planos
formados por conjuntosp j
de nodos coplanarios.
 Notación de Miller los
í di (h k l) d fiíndices (h k l) definen un
plano que corta a los
ejes x, y, z en las
El plano de esta familia más cercano al origen:
j y
distancia a/h, b/k y c/l,
respectivamente, del
origen
Introducción a la ciencia en ingeniería de materiales13
origen.

14. Cristalinidad y MaterialesCristalinidad y Materiales
 Metales: tipicamente en este caso el motivo Metales: tipicamente en este caso el motivo
es el átomo, que cedió sus electrones de
valencia al enlace metálicovalencia al enlace metálico
 Cerámicos: Las estructuras son más
complejas por que el motivo es molecular ycomplejas por que el motivo es molecular, y
pueden ser estructuras iónicas o covalentes.
 Polímeros: Muchos termoplásticos pueden Polímeros: Muchos termoplásticos pueden
cristalizar parciamente, celdas complejas. El
motivo es parte de la macromolecula.motivo es parte de la macromolecula.
Introducción a la ciencia en ingeniería de materiales14

15. MetalesMetales
c
 Relación entre R y a?
 Número de
c
a1
a2
a3
coordinación?
 Factor de
empaquetamiento?
a1
empaquetamiento?
Introducción a la ciencia en ingeniería de materiales15

16. Cristales Cerámicos IónicosCristales Cerámicos Iónicos
 Relación de radios
iónicos
 Neutralidad de carga Neutralidad de carga
Introducción a la ciencia en ingeniería de materiales16

17. Estructuras Cerámicas AXEstructuras Cerámicas AX
ClNa ClCs Blenda de Zn
Introducción a la ciencia en ingeniería de materiales17

18. Estructuras EstequiométricasEstructuras Estequiométricas
AmXp AmBnXpm p m n p
CaF BaTiOSiO
Introducción a la ciencia en ingeniería de materiales18
CaF2 BaTiO3SiO2

19. Superconductores de alta TcSuperconductores de alta Tc
(La,Ba)2CuO4 YBa2Cu4O8 Pb2Sr2YCu3O8
Introducción a la ciencia en ingeniería de materiales19
http://www.jcrystal.com/steffenweber/

20. Estructuras de los polímerosEstructuras de los polímeros
 Polímero: Muchas unidades
Red
 Polímero: Muchas unidades
(meros).
 Sustancia constituida por
Ramificado
moléculas compuestas de
muchos grupos atómicos
(unidades monoméricas) unidos Ramificado
Entrecruzado
(unidades monoméricas), unidos
mediante enlaces primarios
(covalentes).
Lineal
 Macromolécula: define la
molécula que compone a los
polímeros
Introducción a la ciencia en ingeniería de materiales20
p

21. Estructuras cristalinas de
polímeros
L lé l d t t d
PTFE
13/1
iPP, iPS
3/1
 Las moléculas adoptan estados
conformacionales particulares que
les facilitan la cristalización.
L f ió d lí
/
 La fracción de polímero que
alcanza a organizarse en
estructura cristalina varía según el
tipo de polímero y tratamientostipo de polímero y tratamientos.
 Modelo Bifásico
 Vigencia de las celdas unidad de
los siete sistemas cristalinoslos siete sistemas cristalinos
conocidos.
 Alotropía
Introducción a la ciencia en ingeniería de materiales
 Anisotropía.

22. PolietilenoPolietileno
PE ortorrómbicoPE, ortorrómbico
Polímeros22 Introducción a la ciencia en ingeniería de materiales

23. PET triclínicoPET, triclínico
23 Introducción a la ciencia en ingeniería de materiales

24. Complejidad de cristales poliméricosComplejidad de cristales poliméricos
α-iPP Cc  C2/c i-Poly(vinylcyclobutane)
(Natta &Corradini1960)
P21/c (Mencick, 1972)
i Poly(vinylcyclobutane)
Ortorrombico (P212121)
Introducción a la ciencia en ingeniería de materiales24
Goma Natural P21a.
Eje a Poryecc.

25. SimetríaSimetría
 Simetría:
á Matemáticamente:
 las operaciones de simetría describen el proceso que
hay que seguir para hacer coincidir objetos idénticos
Introducción a la ciencia en ingeniería de materiales25
hay que seguir para hacer coincidir objetos idénticos

26. Una idea básicaUna idea básica
Introducción a la ciencia en ingeniería de materiales26

27. Elementos de simetríaElementos de simetría
 Simetría respecto de un punto (centro de inversión) Simetría respecto de un punto (centro de inversión)
 Simetría respecto de un eje
 Simetría respecto de un plano Simetría respecto de un plano
180º
120º
Introducción a la ciencia en ingeniería de materiales27

28. Limitaciones en el planoLimitaciones en el plano
Introducción a la ciencia en ingeniería de materiales
28