S€lido amorfo
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S€lido amorfo El s€lido amorfo es un estado s€lido de la materia, en el que las part•culas que conforman el s€lido carecen de una estructura ordenada. Estos s€lidos carecen de formas y caras bien definidas. Esta clasificaci€n contrasta con la de s€lidos cristalinos, cuyos ‚tomos est‚n dispuestos de manera regular y ordenada formando redes cristalinas. Muchos s€lidos amorfos son mezclas de molƒculas que no se pueden apilar bien. Casi todos los dem‚s se componen de molƒculas grandes y complejas. Entre los s€lidos amorfos m‚s conocidos destaca el vidrio. Un mismo compuesto, seg„n el proceso de solidificaci€n, puede formar una red cristalina o un s€lido amorfo. Por ejemplo, seg„n la disposici€n espacial de las molƒculas de s•lice (SiO ), se puede 2
obtener una estructura cristalina (el cuarzo) o un s€lido amorfo (el
Diagrama molecular del vidrio (SiO ) en s€lido 2
amorfo.
vidrio).
Propiedades de los s€lidos amorfos Las molƒculas de los s€lidos amorfos est‚n distribuidas al azar y las propiedades f•sicas del s€lido son idƒnticas en todas las direcciones (isotrop•a). Las formas amorfas tienen una temperatura caracter•stica a la cual sus
propiedades
experimentan
cambios
importantes.
Esta
temperatura se conoce como temperatura de transici€n v•trea (T ). g
La temperatura de transici€n a vidrio de un material amorfo puede reducirse
a…adiendo
molƒculas
peque…as,
Diagrama molecular del cuarzo (SiO ) en red 2
cristalina.
denominadas
"plastificadores", que se adaptan entre las molƒculas v•treas y les proporciona mayor movilidad. Una consecuencia directa de la disposici€n irregular de las part•culas en un s€lido amorfo, es la diferencia de intensidad que toman las fuerzas intermoleculares entre las mismas, de ah• que la fusi€n se alcance a distintas temperaturas, seg„n la proporci€n de las distintas part•culas que forman la muestra. De ello se deduce que un s€lido amorfo no tiene un punto de fusi€n definido, sino que dicha transformaci€n acontece en un intervalo de temperatura. Cuando se calienta un s€lido amorfo, la sustancia no manifiestan un punto de fusi€n, aunque se ablandan progresivamente aumentando su tendencia a deformarse. En contraste, la temperatura de fusi€n de un s€lido cristalino es precisa y est‚ bien definida. En cuanto a sus propiedades el‚sticas, se puede afirmar que los s€lidos amorfos manifiestan las propiedades de los cristales. Por ejemplo, al aplicar una carga a un material amorfo en un intervalo racionado de tiempo, la sustancia desarrollar‚ una deformaci€n pseudo-permanente, es decir, fluir‚ como si fuera un l•quido de viscosidad muy alta. Respecto al magnetismo, los metales amorfos presentan las propiedades magnƒticas m‚s notables, comport‚ndose como materiales ferromagnƒticos (aquellos en los que se produce un ordenamiento magnƒtico de todos los momentos magnƒticos en la misma direcci€n y sentido).
S€lido amorfo
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Sustancia amorfa
Tipo de enlace
T (K)
SiO
covalente
1430
GeO
covalente
820
Si, Ge
met‚lico
-
i€nico
580
BeF
covalente
570
Poliestireno
covalente
370
Se
covalente
310
met‚lico
290
H O
enlace de H
140
C H OH
enlace de H
90
Isopentano
Van der Waals
65
Fe, Co, Bi
met‚lico
-
2 2
Pd
0.4
Ni
0.4
P
2
Au
0.8
Si
0.2
2
2
5
0.2
g
Aplicaciones Debido a sus propiedades mec‚nicas, hay un gran n„mero de s€lidos amorfos que se emplean como materiales para la industria y la construcci€n. Los €xidos amorfos, gracias a su transparencia, solidez y facilidad para darle forma en l‚minas grandes, se emplean profusamente como vidrio de ventana. Ciertos pol•meros org‚nicos, en virtud de su resistencia y peso ligero y f‚cil procesamiento, se emplean como materiales estructurales (pl‚sticos). Existen semiconductores amorfos que se emplean en las memorias de ordenador y en cƒlulas solares gracias a sus propiedades €pticas fotovoltaicas y en la facilidad para crear pel•culas delgadas de gran superficie. Los metales amorfos se emplean en n„cleos de transformadores gracias a su ferromagnetismo, bajas pƒrdidas y la posibilidad de formar cintas largas. El calcogenuro amorfo se emplea en xerograf•a en virtud de su fotoconductividad y la posibilidad de formar pel•culas de gran ‚rea.
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Diferencias con los s€lidos cristalinos La principal diferencia entre un s€lido cristalino y un s€lido amorfo es su estructura. En un s€lido cristalino existe una ordenaci€n de los ‚tomos a largo alcance, mientras que en los s€lidos amorfos no se puede predecir donde se encontrar‚ el pr€ximo ‚tomo. En este hecho se basan los diferentes mƒtodos de diferenciaci€n entre ambos tipos de s€lido, que en algunos casos no es f‚cil de establecer a simple vista. Dichos mƒtodos de diferenciaci€n incluyen:
Difracci€n La difracci€n consiste en enviar un haz de radiaci€n sobre el s€lido y tomar medidas a diferentes ‚ngulos en un amplio rango angular, con el objetivo de deducir la disposici€n de los ‚tomos en el s€lido objeto de estudio. Los picos que aparecen en el diagrama de difracci€n (difractograma), corresponden a la diferencia constructiva del haz de radiaci€n con un plano at€mico, es decir, cuando se cumple la ley de Bragg (permite estudiar las direcciones en las que la difracci€n de rayos X sobre la superficie de un cristal produce interferencias constructivas). Difractograma del NaBr.
Existen diferentes mƒtodos de difracci€n, que dependen del tipo de sonda enviada hacia la muestra. Los tres tipos de sonda m‚s utilizados en difracci€n son los rayos X, los de neutrones y los de electrones. Las diferencias entre ellos se establecen en la longitudes de onda y el mecanismo de interacci€n. De estos tres tipos de difracci€n, la m‚s habitual para el estudio de los s€lidos es la de rayos X. En un s€lido cristalino la disposici€n de sus ‚tomos guarda una simetr•a. Por esa raz€n, su diagrama de difracci€n por rayos X muestra varios picos muy bien definidos a unos ‚ngulos determinados. Con los datos de la intensidad y de la posici€n angular, as• como las f€rmulas de interacci€n entre rayos X y el s€lido, se puede calcular la posici€n de los ‚tomos en ese s€lido. En un s€lido amorfo, los ‚tomos est‚n colocados al azar, debido a lo cual, en su diagrama de difracci€n se observan pocos picos, en general uno, que se caracteriza por una gran anchura angular. Analizando la anchura angular del pico junto con la intensidad y el tipo de interacci€n, se puede obtener la funci€n de distribuci€n radial, que da la distancia a primeros vecinos de encontrar un nuevo ‚tomo.
Calorimetr•a La calorimetr•a consiste en medir la cantidad de calor captado o cedido por el s€lido estudiado en el momento de solidificaci€n. En un s€lido amorfo, la disposici€n irregular de sus ‚tomos hace que posea una alta entrop•a (alto desorden) con respecto al s€lido cristalino, que est‚ perfectamente ordenado. A la hora de la cristalizaci€n, esta alta entrop•a hace que la variaci€n de calor sea muy suave y por lo tanto estƒ muy extendido en un gran rango de temperaturas. Sin embargo, el calor espec•fico del s€lido cristalino durante la cristalizaci€n muestra un pico estrecho bien definido a una temperatura concreta, que corresponde a la temperatura de cristalizaci€n.
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Obtenci€n de s€lidos amorfos Los s€lidos amorfos se pueden formar, en condiciones naturales, si crecen en condiciones donde no existe suficiente movilidad de los ‚tomos. En el a…o 1969, David Turnbull escribi€ que "probablemente todos los materiales pueden, si se enfr•an con la suficiente rapidez y lejan•a de la temperatura cr•tica, ser trasformados en s€lidos amorfos".
[1]
Artificialmente, existen varios mƒtodos de obtenci€n de s€lidos amorfos. El mƒtodo m‚s antiguo y m‚s empleado es el de la fundici€n templada, del que se conocen algunas variedades:
Bloque congelado Esta tƒcnica necesita de un alto rango de temperaturas para el enfriamiento y formar una aleaci€n met‚lica. Un chorro de metal fundido es propulsado contra la superficie de un cilindro de cobre, el cual se encuentra en r‚pida rotaci€n, lo que obliga al l•quido a enfriarse (a temperatura ambiente o menor). Dentro de la tƒcnica del bloque congelado, se distingue entre splat-cooling y el templado giratorio de extracci€n.
Templado con l•quido Esta tƒcnica puede ser utilizada para el enfriamiento de l•quidos, utilizando ba…os de hielo en los cuales se introducen peque…as cantidades de fundido; permite enfriar con rangos de velocidad altas. Un experimento de vitrificaci€n para el estudio de la gesti€n de
Templado al aire
residuos nucleares en el Pacific Northwest National Labs.
Esta tƒcnica puede ser utilizada para materiales con tendencia a la formaci€n de s€lidos amorfos. Se puede obtener la fundici€n con enfriamiento lento, lo cual se consigue apagando el horno. S€lidos amorfos obtenidos mediante este mƒtodo son SiO , As S y poliestireno. 2
2 3
Condensaci€n del vapor Esta tƒcnica comienza cuando el vapor formado en una c‚mara de vac•o, por la evaporaci€n del material, choca con una superficie fr•a, obteniƒndose una sustancia amorfa.
Pol•meros Los pol•meros son compuestos macromoleculares de cadena larga, constituidos principalmente por carbono (C), hidr€geno (H) y ox•geno (O), aunque a veces pueden presentar F, N, P y S. Son resultado de la uni€n de mon€meros mediante la uni€n de una reacci€n qu•mica llamada polimerizaci€n. La polimerizaci€n puede llevarse a cabo de forma natural, como sucede con las prote•nas, o bien de forma artificial, obteniƒndose materiales pl‚sticos. Estas macromolƒculas pueden presentar muchas configuraciones y conformaciones. La configuraci€n se refiere a diferencias estructurales de corto alcance y no se puede modificar de forma reversible. Los pol•meros tienen estructuras poco compactas debido al enrollamiento de las cadenas y de la presencia de grupos at€micos laterales. Todo lo que contribuye a un pobre empaquetamiento, favorece la formaci€n de una estructura forma, por ejemplo, cadenas moleculares muy largas y ramificadas, distribuci€n al azar de grupos laterales grandes a lo largo de las cadenas, cadenas copolimƒricas (formadas por combinaci€n de dos o m‚s mon€meros), as• como la presencia de aditivos plastificantes que separan las cadenas unas de otras y se a…aden a los pl‚sticos para mejorar sus pr opiedades.
S€lido amorfo
Los pol•meros, cuyos mon€meros son ciertamente sencillos, desarrollan cierto grado de ordenamiento seg„n como se han enfriado, pero no todo el material cristaliza. Ejemplo de materiales pl‚sticos parcialmente cristalinos son el polietileno, polipropileno isot‚ctico, n‚ilon, y el politereftalato de etileno (PET). Los materiales cambian sus propiedades mec‚nicas seg„n se encuentren por encima o por debajo de la temperatura de reblandecimiento. Por encima, se deforman f‚cilmente al pasar de una a otra conformaci€n, mientras que por debajo est‚n fijos. En el material amorfo, las cadenas est‚n m‚s separadas que en la estructura laminar. Ello se refleja en una disminuci€n de la densidad. Seg„n sus propiedades, se distinguen varios tipos de pol•meros: † Pol•meros termopl‚sticos, que fluyen (pasan al estado l•quido) al calentarlos y se vuelven a endurecer al enfriarlos. Su estructura molecular presenta pocos (o ning„n) entrecruzamiento. † Pol•meros termoestables, que no fluyen, y lo „nico que se consigue al calentarlos es que se descompongan qu•micamente. Este comportamiento se debe a una estructura con muchos entrecruzamientos, que impiden los desplazamientos relativos de las molƒculas † Elast€meros, que muestran un comportamiento el‚stico. Suelen ser termoestables, pero tambiƒn termopl‚sticos debido a que el enlace covalente proporciona la capacidad de que los mon€meros vuelvan a la posici€n original una vez se deja de aplicar la fuerza † Pol•meros expandidos (espumas). Se caracterizan por ser porosos y tener baja densidad. Se obtienen por dispersi€n de un gas en un pol•mero antes de que se endurezca, bien sea termoestable o termopl‚stico.
Vidrio El vidrio es un s€lido amorfo con la estructura de un l•quido. Tƒcnicamente, un vidrio es un producto inorg‚nico de la fusi€n que se ha enfriado a una velocidad demasiado elevada para permitir la formaci€n de cristales. Aunque popularmente se llama cristal y vidrio a un mismo material, existe una diferencia esencial entre ambos. El cristal hace referencia a un estado de ordenaci€n de la materia que se encuentra en la naturaleza en diferentes formas (por ejemplo, cuarzo o cristal de roca). El vidrio, sin embargo, es el resultado de la fusi€n de ciertos ingredientes (s•lice, sosa y cal). Existen, sin embargo, vidrios creados por la naturaleza, como la obsidiana que se forma por el calor generado en el interior de los volcanes. Se llama err€neamente cristal al vidrio de plomo o vidrio €ptico, pues su transparencia imita al cristal de roca natural; esta imitaci€n hab•a sido siempre la meta principal de los vidrieros.
Referencias [1] D. Turnbull, "Under what conditions can a glass be formed?," Contemporary Physics 10:473-488 (1969)
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Fuentes y contribuyentes del art•culo
Fuentes y contribuyentes del art•culo S€lido amorfo Fuente: http://es.wikipedia.org/w/index.php?oldid=44099567 Contribuyentes: Carrero, Draxtreme, Nioger, Orgullomoore, Ortisa, Uruk, 12 ediciones an€nimas
Fuentes de imagen, Licencias y contribuyentes Archivo:Silica.svg Fuente: http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Archivo:Silica.svg Licencia: Public Domain Contribuyentes: Silica.jpg: Archivo:SiO‚ Quartz.svg Fuente: http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Archivo:SiOˆ_Quartz.svg Licencia: Public Domain Contribuyentes: User:Wimmel Archivo:Diff NaBr.png Fuente: http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Archivo:Diff_NaBr.png Licencia: Public Domain Contribuyentes: User:Solid State Archivo:Vitrification1.jpg Fuente: http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Archivo:Vitrification1.jpg Licencia: Public Domain Contribuyentes: (at Pacific Northwest National Laboratory)
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