monocristales y policristales Un monocristal es un material en el que la red cristalina es continua y no está interrumpida por bordes de grano hasta los límites de la muestra. Como los bordes pueden tener efectos importantes en las propiedades físicas de un material, los monocristales tienen interés para la industria y para la investigación académica. Los efectos de la entropía favorecen la presencia de imprefecciones en la microestructura de los sólidos, como impureas, tensiones inhomogéneas o defectos cristalográ!cos como cristalográ!cos como dislocaciones. "in embargo, este no impide la formación de monocristales, y se conocen especies minerales como el berilo que berilo que forman de forma natural monocristales con un diámetro del orden de un metro.# metro.# $n el laboratorio se usan técnicas de crecimiento lento para evitar la nucleación y nucleación y favorecer el crecimiento lento de monocristales de tama%o adecuado, por e&emplo, para la difracción de rayos '. ' .( $n el lado opuesto de un monocristal están los vidrios, vidrios, estructuras amorfas donde no hay correlación de correlación de largo alcance entre las posiciones atómicas. $ntre los dos e)tremos están los materiales policristalinos. policristalinos. Un policristal o material policristalino material policristalino es un agregado de agregado de peque%os cristales de cristales de cualquier sustancia, a los cuales, por su forma irregular, irregular , a menudo se les denomina cristalitas o cristalitas o granos cristalinos. granos cristalinos. *uchos materiales de origen tanto origen tanto natural +minerales +minerales y y metales metales como sintético +metales, sintético +metales, aleaciones, aleaciones, cerámica, cerámica, etcétera etcétera son policristales. -ropiedadeseditar -ropiedades editar// Las propiedades de propiedades de los policristales están condicionadas por las propiedades de los granos cristalinos componentes, componentes, tales como0 1ama%o 1ama%o medio. medio. Com2nmente varía entre ( y # micrones +3 micrones +3 micras 4, de símbolo 5, símbolo 5, hasta unos cuantos milímetros, milímetros, y en algunos casos hasta unos cuantos metros. metros . 6rientación cristalográ!ca 6rientación cristalográ!ca de los granos. "i los granos están orientados caóticamente y caóticamente y son peque%os comparados con comparados con el policristal, en éste no se detecta anisotropía de anisotropía de las propiedades propiedades físicas, la cual es propia de monocristales. monocristales. $structura del $structura del borde de grano. grano . 7sí mismo, si en el policristalino hay una predominante orientación cristalográ!ca de cristalográ!ca de los granos, el policristal se denomina te)turiado. te)turiado. $n este caso e)iste anisotropía de anisotropía de las propiedades. propiedades. -uesto que en los bordes de los granos hay dispersión de dispersión de electrones de electrones de conductibilidad, conductibilidad, fonones, fonones, frena&e de frena&e de dislocacion es, es, etcétera, los bordes in8uyen esencialmente en las propiedades propiedades físicas 9 especialmente en las mecánicas9 mecánicas9 de los policristales. Los policristales se generan por cristaliación, o por transformaciones polimór!cas, polimór!cas, o como resultado
de aglomeración de polvos cristalinos. "on menos estables que los monocristales. -or lo tanto, al someter un policristal a recocido prolongado se puede producir recristaliación0 crecimiento preponderante de unos cuantos granos a costa de otros, que culmina en formación de grandes bloques cristalinos.
: *onocristal0 9 La disposición atómica es perfecta, sin interrupciones, a lo largo de toda la muestra. "i los e)tremos del cristal crecen libremente, adquieren una forma geométrica regular con caras planas que re8e&a la estructura cristalina. 9 "e pueden generar arti!cialmente pero son difíciles de fabricar. 9 Cada ve más importante tecnológicamente0 monocristales de "i empleados en microelectrónica.
: *aterial policristalino0 9 La mayoría de los sólidos cristalinos son un con&unto de muchos cristales peque%os o granos.
7nisotropía0 9 Las propiedades físicas de algunos monocristales dependen de la dirección cristalográ!ca tomada para su medida 9 $l grado de anisotropía se incrementa al disminuir la simetría del cristal 9 $&emplo0 el módulo elástico del Cu es de ;;.< =-a en la dirección (>>/, (?>.? =-a en la dirección ((>/ y (@(.( =-a en la dirección (((/. (.(.(>. alotropía y polimor!smo
7lgunos metales +por e&emplo hierro y esta%o, tienen en estado sólido, a diferentes intervalos de temperatura, distinta estructura cristalográ!ca, o como se dice mas a menudo, distintas redes cristalinas. La propiedad de un metal de tener varias redes cristalinas se denomina pilomor!smo o alotropía. Cuando una aleación solidi!cada, con una estructura cristalina determinada, alcana la temperatura necesaria para pasar a otra estructura cristalina, también tiene lugar la formación de n2cleos y su crecimiento para formar granos, seme&ante a lo que sucede durante el paso del estado líquido a sólido. $l paso de un tipo de red de un estado a otro tiene lugar, también, con efecto térmico a temperatura constante. *uchas propiedades de los metales y sus aleaciones incluyendo las mecánicas, dependen del tama%o de los granos, un grano mas peque%o proporciona al metal una mayor resistencia y durea debido a la constantes intersecciones de
las dislocaciones. $stas no pueden formar dentro de la masa del metal largas lineas de movimiento mutuo de los granos. Como una estructura micro granular puede ser obtenida al formarse gran cantidad de n2cleos de cristaliación, si se calienta una aleación por encima de la temperatura de recristaliación, esto es, al otro estado alotrópico, y luego se enfría rápidamente, la posterior cristaliación para volver a la temperatura y estructura originales se produce con la formación de grandes cantidades de n2cleos, y por tanto, !nalmente se tendrá un grano menor. Agualmente puede suceder en el caso contrario, una piea sólida que tenga granos peque%os, si se calienta hasta la recristaliación y luego se enfría lentamente dará lugar a una piea con granos mayores. $ste hecho del polimor!smo de los metales y las aleaciones da pie a la modi!cación de las propiedades de las pieas por medio del tratamiento térmico. Bay que subrayar aquí, que, de no e)istir alotropía, las posibilidades de tratamiento térmico se ven muy reducidas 7A"61D6-A7 La anisotropía +opuesta de isotropía es la propiedad general de materia seg2n la cual cualidades como0 elasticidad, temperatura, conductividad, velocidad de propagación de la lu, etc. varían seg2n la dirección en que son e)aminadas.(/ 7lgo anisótropo podrá presentar diferentes características seg2n la dirección. La anisotropía de los materiales es más acusada en los sólidos cristalinos, debido a su estructura atómica y molecular regular. $n un sentido más general, se habla de anisotropía cuando se produce cualquier cambio de escala de una !gura o un cuerpo, como en un grá!co )Ey, con factores distintos +o en dependencia de una función en cada coordenada. -ropiedades anisótropaseditar/ $n principio toda propiedad física representable mediante una magnitud tensorial es susceptible de presentar un comportamiento anisotrópico. $ntre las propiedades que pueden presentar anisotropía están0 Conductividad +térmica, electrónica, iónica... Constantes elásticas de un sólido deformable. Crecimiento cristalino Filatación térmica -leocroísmo *agnetismo Fe!nición formal de anisotropíaeditar/
Fe la misma manera que los n2meros pueden GmedirG la magnitud escalar de una propiedad, los grupos matemáticos pueden GmedirG la simetría de una propiedad. 7sí el tipo de anisotropía que presenta una propiedad puede caracteriarse mediante un subgrupo de un grupo de simetría de rotaciones. -or e&emplo, si una determinada propiedad es invariante ba&o la acción del grupo de rotaciones del espacio tridimensional entonces se dice que presenta isotropía, si no es invariante e)istirá un subgrupo ma)imal de rotaciones tal que ba&o la acción de dicho subgrupo la acción quede invariante. Fe acuerdo con cual sea el subgrupo ma)imal puede clasi!carse el tipo de anisotropía en diferentes 0 1ipos de anisotropíaeditar/ Los tipos de anisotropía que presenta un material están asociados siempre a subgrupos del grupo ortogonal 6+?, por lo que cada tipo de anisotropía viene caracteriada por un grupo puntual. $ntre los tipos de anisotropía están0 7nisotropías con subgrupos de simetría continuos0 hemitropía, donde el grupo ortogonal especial "6+? es un grupo de simetría pero no las re8e)iones espaciales. isotropía transversal, donde e)iste un e&e de simetría, por lo que el grupo de simetría es 6+#, siendo todas las direcciones perpendiculares a dicho e&e equivalentes. $ste tipo de material es un caso particular de material ortótropo. Un material compuesto por !bras longitudinales simétricas tiene este tipo de isotropía, como es el caso de la madera. hemitropía transversal, con el grupo de simetría "6+#, similar al anterior pero más restringida. Un material formado por !bras longitudinales no simétricas +espirales de colágeno tiene este tipo de simetría. 7nisotropías con subgrupos de simetría discretos0 -olihédricas 1etraédrica 6ctaédrica Acosaédrica 7)iales 6rtótropos Clinótropos, incluye los subtipos monoclínico y triclínico. 7nisotropía en diversas áreaseditar/ $lasticidadeditar/
"i bien muchos materiales tecnológicamente importantes, producidos industrialmente como el acero +y otros metales, no estirados en frío, el aluminio, el hormigón, los ladrillos o el caucho son materiales que se pueden considerar isótropos, muchos otros materiales que ocurren en la naturalea, como la madera, los te&idos del cuerpo humano +huesos, piel, te&idos colaginosos, son formados por !bras son de hecho anisótropos. 7lgunos materiales fabricados industrialmente y cuya estructura interna está formada por !bras alineadas como elementos de !bra de carbono son materiales anisótropos, con propiedades mecánicas diferentes si se miden en direcciones alineadas con las !bras o transversales a ellas. Computación grá!caeditar/ $n el campo de la computación grá!ca, una super!cie anisótropa va a cambiar de apariencia a medida que se rota sobre su normal geométrica, como es el caso con el terciopelo. $l !ltrado anisotrópico es un método para me&orar la calidad de imagen de las te)turas sobre super!cies que están muy le&os y en ángulo pronunciado con respecto al punto de vista. Las técnicas más antiguas, tales como el !ltrado bilineal y el !ltrado trilineal no toman en cuenta el ángulo con que se ve una super!cie, lo que puede dar lugar a aliasing o borrosidad de las te)turas. 7l reducir el detalle en una dirección más que en la otra, estos efectos pueden ser reducidos.
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Fefectos puntuales $l defecto puntual más simple es la vacante, hueco creado por la pérdida de un átomo que se encontraba en esa posición. Las vacantes pueden producirse durante la solidi!cación como resultado de perturbaciones locales durante el crecimiento de los cristales, o pueden ser debidas a reordenaciones atómicas en un cristal ya formado como consecuencia de la movilidad de los átomos.
$n metales, la concentración de huecos en el equilibrio raramente e)cede de un átomo en (>,>>> átomos. Las vacantes en los metales son defectos en equilibrio y su energía de formación es del orden de ( e I. Las vacantes adicionales en los metales pueden ser producidas por deformación plástica del metal, por enfriamiento rápido de mayores a menores temperaturas y por bombardeo de partículas energéticas tales como neutrones. Las vacantes de no equilibrio tienen tendencia a agruparse formando clusters, formándose divacantes o trivacantes. Las vacantes pueden trasladarse cambiando su posición con las de sus vecinas. $ste proceso es importante en la migración o la difusión de los átomos en el estado sólido, particularmente a elevadas temperaturas donde la movilidad de los átomos es mayor. Las impureas atómicas de tipo sustitucional o intersticial son también defectos puntuales y se pueden presentar en cristales metálicos o covalentes. -or e&emplo, peque%as cantidades de impureas sustitucionales en silicio puro pueden afectar mucho su conductividad eléctrica para uso en dispositivos electrónicos. Las impureas iónicas son también defectos puntuales en cristales iónicos. Fefectos de línea +dislocaciones Los defectos de línea, o dislocaciones, en sólidos cristalinos son defectos que dan lugar a una distorsión de la red centrada en torno a una línea. Las dislocaciones se crean durante la solidi!cación de los sólidos cristalinos. 1ambién se pueden formar por deformación plástica del sólido cristalino, por condensación de vacantes y por empare&amiento atómicos incorrectos en soluciones sólidas. Los dos principales tipos de dislocaciones son el tipo de cu%a y el tipo helicoidal. Límites de grano +defectos interfaciales Los límites de grano son defectos interfaciales en materiales policristalinos, son límites que separan granos o cristales de diferentes orientaciones. $n los metales los límites de grano se crean durante la solidi!cación cuando los cristales se han formado a partir de diferentes n2cleos que crecen simultáneamente &untándose unos a otros. La forma de los límites de grano viene determinada por las restricciones impuestas por el crecimiento de los granos más pró)imos.. $l límite de grano es una región estrecha entre dos granos de unos dos a cinco diámetros atómicos de anchura y es una región de átomos con cierto desalineación entre granos adyacentes.
$l empaquetamiento atómico en los límites de grano es menor que dentro de los granos debido a dicho desalineación. Los límites de grano tienen también algunos granos en posiciones de tensión por lo que aumenta la energía en la región del límite de grano. Los límites de grano en un material metálico o cerámico pueden ser identi!cados en una muestra preparada de material como líneas oscuras. Las muestras metálicas y cerámicas se pulen, en primer lugar, para obtener una super!cie lisa, y entonces son químicamente tratadas con agua fuerte de forma que los límites de grano son atacados más rápidamente, que los granos produciéndose diminutas grietas a lo largo de los límites. 7l e)aminarse con un microscopio óptico la lu incidente no será tan intensamente re8e&ada en los límites de grano que aparecerán como líneas oscuras en el ocular del microscopio. La mayor energía de los límites de grano y su estructura más abierta, hacen de ellos una región más favorable para la nucleación y crecimiento de precipitados. $l menor empaquetamiento atómico de los límites de grano permite una difusión más rápida de los granos en la región del límite de grano. 7 temperaturas ordinarias los límites de grano también limitan el 8u&o plástico al presentar di!cultades el movimiento de dislocaciones en la región del límite de grano. 1ama%o del grano $l tama%o del grano de materiales policristalinos es importante porque la cantidad de super!cie del límite de grano tiene un efecto signi!cativo en muchas propiedades de los metales, especí!camente en la resistencia. 7 temperaturas más ba&as +menos de apro)imadamente la mitad de su temperatura de fusión los límites de grano refueran a los metales por restricción del movimiento de las dislocaciones ba&o tensión. 7 elevadas temperaturas puede tener lugar un desplaamiento del límite de grano, y los límites de grano pueden llegar a ser regiones de ba&a resistencia en metales policristalinos. Fifusión en sólidos en general La difusión se puede de!nir como el mecanismo por el cual la materia es transportada a través de la materia. Los átomos en gases, líquidos y sólidos están en constante movimiento y se desplaan tras un período de tiempo. $n los gases, el movimiento de los átomos es relativamente rápido como podemos apreciar en el rápido avance de los olores desprendidos al cocinar o del humo del tabaco.
Los movimientos atómicos en los líquidos son, en general, más lentos que en los gases como puede observarse al seguir el movimiento de un pigmento en agua líquida. $n los sólidos el movimiento de los átomos está restringido debido a su enlaamiento en posiciones de equilibrio. "in embargo, en los sólidos tienen lugar vibraciones térmicas que permiten que algunos átomos se muevan. La difusión de los átomos en metales y aleaciones es particularmente importante, ya que la mayor parte de las reacciones en estado sólido involucran movimientos atómicos. *ecanismos de difusión Bay dos principales mecanismos de difusión de los átomos en una red cristalina0 +( difusión por vacantes o mecanismo sustitucional y +# mecanismo intersticial. *ecanismo de difusión por vacantes o sustitucional. Los átomos pueden moverse en las redes cristalinas desde unas posiciones atómicas a otras si hay su!ciente energía de activación procedente de vibraciones térmicas de los átomos y hay vacantes u otros defectos cristalinos en la red para que los átomos puedan desplaarse a otras posiciones. Las vacantes en los metales y aleaciones son defectos de equilibrio, algunas siempre están presentes posibilitando la difusión sustitucional de los átomos. "eg2n va aumentando la temperatura del metal se producirán más vacantes y habrá más energía térmica disponible, por tanto, el grado de difusión es mayor a temperaturas más altas. *ecanismos de difusión intersticial La difusión intersticial de los átomos en las redes cristalinas tiene lugar cuando los átomos van desde una posición intersticial a otra vecina desocupada sin desplaar permanentemente a ninguno de los átomos de la red cristalina matri. Huentes0 7puntes de la materia de ciencia de los materiales J unideg
