INSTITUTO TECNOLÓGICO DE PUEBLA

MATERIA: FISCA IV

CATEDRÁTICO: ING. VÍCTOR MANUEL PERUSQUÌA ROMERO

TEMA: ESTRUCTURAS AMORFAS

EQUIPO 1

ESTRUCTURAS AMORFAS

Introducción:

La forma en que se distribuyen en el espacio los átomos o moléculas de un material es determinante en sus propiedades macroscópicas. La estructura de las moléculas se fundamenta en los enlaces químicos, que son las fuerzas que mantienen unidos a los átomos.

El objetivo de nuestra investigación es presentar la estructura de los sólidos amorfos de una manera accesible, sin tener que recurrir a teorías complejas.

Características Generales de los Sólidos Amorfos

Los materiales en estado sólido se clasifican en: cristalinos, amorfos o semicristalinos. En el estado sólido amorfo las partículas que lo conforman carecen de una estructura ordenada. Estos sólidos son faltos de formas y caras bien definidas. Esta clasificación contrasta con la de sólidos cristalinos, cuyos átomos están dispuestos de manera regular y ordenada formando redes cristalinas.

Muchos sólidos amorfos son mezclas de moléculas que no se pueden apilar bien. Casi todos los demás se componen de moléculas grandes y complejas.

Los sólidos amorfos difieren de los cristalinos por la manera en que se funden. Si controlamos la temperatura de un sólido cristalino cuando se funde, encontraremos que permanece constante. Los sólidos amorfos no tienen temperatura de fusión bien definida; se suavizan y funden en un rango de temperatura y no tienen “punto de fusión” característico.

Al igual que los líquidos y gases, son isotrópicos, es decir sus propiedades son iguales en todas las direcciones. Esto se debe a la falta de regularidad en el ordenamiento de las partículas en los sólidos amorfos, lo cual determina que todas las direcciones sean equivalentes.

Desde el punto de vista estructural los sólidos amorfos se clasifican según están compuestos:

1. Redes tridimensionales no periódicas (vidrio).2. Moléculas individuales de cadena larga (polímeros naturales y

plástico).3. Ordenaciones intermedias entre estos dos casos (cristales

líquidos).

La característica más notoria de estos materiales es la ausencia de orden de largo alcance. Esto significa que, al contrario de lo que ocurre en un cristal, el conocimiento de las posiciones atómicas de una región no nos permite predecir cuales serán las posiciones atómicas en otra región más o menos distante. A corto alcance sólo en el caso de los gases se puede realmente hablar de aleatoriedad, ya que tanto en los líquidos como en los gases se observan valores de densidad que sólo son compatibles con empaquetamientos más o menos compactos de átomos. Ahora bien, la obtención de estos empaquetamientos impone ciertas restricciones, esto es lo que nos permite hablar de orden de corto alcance. Este orden de corto alcance está siempre presente, sin embargo entre el sólido cristalino y el líquido hay bastantes diferencias, mientras que entre el líquido y el sólido amorfo encontramos bastantes semejanzas. Sin embargo el número de átomos que rodea a un átomo dado y la distancia interatómica media son similares en las fases sólida y líquida como corrobora la similitud encontrada en los valores de la densidad de cada fase. Básicamente hay tres modelos que intentan explicar la estructura de un amorfo.

Modelo micro cristalino: Los materiales amorfos están constituidos por un elevado número

de agregados cristalinos, cada uno de ellos constituido por alrededor de 100 átomos. Estos agregados cristalinos están dispersos en el sólido y se enlazan entre sí mediante una “red” cuya naturaleza hay que especificar. La limitación en el número de átomos en el agregado proviene del hecho de que no se pueden conseguir agregados compactos de mayor tamaño con energía suficientemente pequeña como para estabilizar la estructura.

Modelo poliédrico: De nuevo estamos ante un empaquetamiento de átomos,

enlazados según una configuración tetraédrica. Sólo para pequeños números de átomos consigue empaquetamientos perfectos con baja energía; para números elevados de átomos hay que empezar a admitir un cierto grado de frustración. Tampoco es capaz de definir la naturaleza de la “red” en la que los agregados están dispersos. Los aglomerados resultantes en este modelo poseen ejes de rotación de orden de cinco, elemento de simetría prohibido en los cristales.

Modelo de empaquetamiento denso al azar: Este modelo fue propuesto inicialmente por Bernal para explicar la

estructura de los líquidos. Su interés actual es fundamentalmente histórico. Se trata de ir ensamblando esferas de forma que la configuración sea lo más compacta posible. En cada etapa vamos añadiendo una nueva esfera tan cerca como sea posible del centro del agregado correspondiente. Las cuatro primeras esferas constituirán un tetraedro regular porque este es el poliedro que permite un empaquetamiento más denso, sin embargo a medida que el número de esferas vaya aumentando, la configuración irá perdiendo capacidad puesto que no podemos rellenar completamente el espacio a base de tetraedros regulares. Para determinar la distribución de átomos en un material y por tanto acercarnos al tipo de orden que presento podemos hacer un análisis de rayos X. En las gráficas siguientes representamos la intensidad de la radiación dispersada en función del ángulo de difracción, para diferentes estructuras.

La difracción de rayos X muestra que sí existe un ordenamiento, pero este es de corto alcance. Esta difracción se genera cuando las ondas incidentes en los planos paralelos de un cristal se reflejan e interfieren de una manera constructiva.

La figura 1 muestra un diagrama de rayos X de un polvo cristalino, presenta líneas nítidas, cada una corresponde a un plano cristalográfico.

Figura 1 Diagrama de rayos X e un cristal.

La figura 2 corresponde a un material amorfo y muestra solamente una curva difusa, indicando la ausencia de planos cristalográficos. En ocasiones aparecen dos o tres protuberancias difusas en el gráfico, lo que es evidencia de ordenamiento de corto alcance.

Figura 2 Diagrama de rayos X de un sólido Amorfo

Otra manera de describir o visualizar la estructura amorfa es mediante una curva que muestra la probabilidad de encontrar un átomo a una cierta distancia con respecto a otro átomo de referencia. Se

conoce como curva de distribución radial e indica que tanto se acerca un material a ser completamente amorfo o cristalino.

La figura 3 muestra la curva típica de distribución radial para un amorfo ideal y la figura 4 la de un sólido cristalino. El amorfo ideal no presenta ordenamiento alguno, su curva es de tipo parabólico, ya que la probabilidad de encontrar un átomo a alguna distancia “r” del átomo de referencia, depende solo del volumen disponible a esa distancia. Todos los átomos a una distancia “r” deben tener sus centros sobre la superficie de una esfera de radio “r”. El número de átomos acomodados es proporcional a 4πr2. Para un sólido cristalino el gráfico tiene líneas definidas a todas las distancias interatómicas posibles.

Figura 3 Distribución radial Figura 4 Distribución radial de un material cristalino.de un material amorfo ideal.

La figura 5 muestra el gráfico para un sólido amorfo real y en línea punteada el del amorfo ideal. Las protuberancias por encima de la parábola del amorfo ideal indican un ordenamiento de corto alcance.

Figura 5 Distribución radial de un material amorfo real.

Como habíamos mencionado anteriormente los sólidos amorfos no tienen una temperatura de solidificación definida. Partiendo del estado líquido, cuando la temperatura disminuye se hacen más y más viscoso. Este proceso está asociado con un cambia de entalpia y entropía molecular. La temperatura en que se presenta este fenómeno de conoce como temperatura de transición vítrea. (tg).

En la figura 6 el cambio de pendiente de la variación del volumen con respecto a la temperatura indica esta transición.

Figura 6 Variación de volumen en un material que puede ser amorfo o cristalino.

PROPIEDADES DE LOS SÓLIDOS AMORFOS

PROPIEDADES TÉRMICASEn el caso de los polímeros a temperaturas altas los polímeros se

vuelven líquidos muy viscosos en los que las cadenas están constantemente en movimiento cambiando su forma y deslizándose unas sobre las otras. A temperaturas muy bajas, el mismo polímero serpia un sólido duro, rígido y frágil.

El polímero puede solidificarse como sólido amorfo o cristalino. Como se sabe los polímeros con fuertes irregularidades en su estructura tienden a formar sólidos amorfos y los polímeros con cadenas muy simétricas tienden a cristalizar, por lo menos parcialmente. Un polímero

amorfo a temperaturas altas esta en forma de un liquido viscoso, y al enfriarlo, se vuelve cada vez más elástico hasta que llega a la temperatura de transición vítrea, tg, se convierte en un sólido duro, rígido y frágil.

Una consecuencia directa de la disposición irregular de las partículas en un sólido amorfo, es la diferencia de intensidad que toman las fuerzas intermoleculares entre las mismas, de ahí que la fusión se alcance a distintas temperaturas, De ello se deduce que un sólido amorfo no tiene un punto de fusión definido

El estado vítrea lo alcanzan diferentes polímeros a diferentes temperaturas, los que sean más flexibles, con menos grupos voluminosos o con heteroátomos en sus cadenas, podrán girar o permanecer flexibles a temperaturas menores que los otros. Por ejemplo, los silicones, el polietileno y el hule natural tienen temperaturas de transición vítrea de -123, -120 y –73 °c respectivamente. En cambio, polímeros con grupos grandes o grupos muy polares o polarizables, tienen de por sí tan baja movilidad que son vítreos a temperatura ambiente y parar reblandecerlos se requiere de altas temperaturas.

PROPIEDADES MECÁNICASEl grupo de sustancias clasificadas como sólidos amorfos, incluye

un número extraordinario de materiales de gran importancia técnica, particularmente para construcciones. Muchos de ellos son mecánicamente resistentes, duros, extraordinariamente resistentes a la acción química, física y poseen propiedades elásticas muy valiosas. Están incluidos el cuero, el caucho, todas las fibras textiles, celulosa y sus derivados, el vidrio, pinturas y barnices, resinas sintéticas y otros análogos. Por otra parte, no se debe inferir que todos los sólidos amorfos tienen las propiedades físicas deseables que caracterizan a las substancias recién enumeradas. Es indudablemente cierto que la gran mayoría de las sustancias amorfas son inútiles como materiales de construcción.

PROPIEDADES ELÁSTICASCiertas sustancias amorfas que se encuentran en la naturaleza

pueden ser usadas sin cambiar materialmente su estructura primaria. Tales como por ejemplo las fibras textiles: algodón, lino y lana. Ellas son generalmente purificadas, coloreadas y elaboradas mecánicamente en las formas deseadas con el menor cambio posible de su estructura física. Sin embargo, en la gran mayoría de los casos, las sustancias amorfas pueden sufrir un cambio en su plasticidad antes de estar en condiciones de ser trabajadas.

Generalmente se las vuelve plásticas por algún cambio en su condición o constitución. Mientras están en este estado plástico, las sustancias son modeladas, se les da forma o se las trabaja y luego se hacen rígidas y resistentes por destrucción de plasticidad. Tan importantes son estos diferentes métodos de plastificar a las sustancias amorfas en su fabricación industrial que puede ser útil como base de clasificación de muchas industrias.

APLICACIONES DE LOS MATERIALES AMORFOS La reducción en la simpleza y en los costos de elaboración unida a

las ventajosas propiedades y aplicaciones de los metales amorfos, ha traído como consecuencia un creciente interés en el estudio de este tipo de materiales, a continuación se hace una breve descripción de algunas de sus aplicaciones:

APLICACIÓN COMERCIAL: Una de las primeras aplicaciones comerciales de los metales

amorfos ha sido en la formación de cintas de materiales magnéticos blandos. Estas aleaciones ferrosas son químicamente distintas a las de los aceros convencionales en que el elemento maleante primario es el boro en lugar del carbono. Esto esta acoplado con una resistividad relativamente alta, lo que hace que estos materiales sean atractivos en aplicaciones como los núcleos de transformador. Además el material magnético blando proporciona una fuente mínima de pérdida de energía, debida a su pequeña área del ciclo de histéresis.

El área de un ciclo de histéresis ferromagnético representa la energía consumida al recorrer el ciclo. Además de ser deseable un área pequeña del ciclo, también es necesaria una alta inducción de saturación (bs), para minimizar el tamaño del núcleo del transformador.

Debido a sus propiedades mecánicas, hay un gran número de sólidos amorfos que se emplean como materiales para la industria y la construcción.

Los óxidos amorfos, gracias a su transparencia, solidez y facilidad para darle forma en láminas grandes, se emplean profusamente como vidrio de ventana. Ciertos polímeros orgánicos, en virtud de su resistencia y peso ligero y fácil procesamiento, se emplean como materiales estructurales (plásticos). Existen semiconductores amorfos que se emplean en las memorias de ordenador y en células solares gracias a sus propiedades ópticas fotovoltaicas y en la facilidad para crear películas delgadas de gran superficie. Los metales amorfos se emplean en núcleos de transformadores gracias a su ferromagnetismo, bajas pérdidas y la posibilidad de formar cintas largas

APLICACIÓN CIENTÍFICA En el laboratorio de sólidos amorfos de la facultad de ingeniería de

la universidad de buenos aires, bajo la conducción de Javier moya, se crea una nueva generación de materiales magnéticos blandos - principalmente se presentan estudios, estructurales, magnéticos y mecánicos en una aleación nano cristalinas de composición fe73.5si22.5-xbxnb3cu1 (x= 6, 8, 9, 10, 12) (Finemet) con distintas temperaturas de recocido isotérmico que se desarrollan a partir de recocidos controlados de aleaciones amorfas metálicas.

Los materiales nano estructurados deben su nombre a que poseen un tamaño de grano del orden de los nanómetros y que, rodeados de una matriz de características amorfa, son la causa de las propiedades

particulares que poseen, como ser la de un magnetismo extremadamente blando.

Estos materiales, que parecen contradecir la clásica regla de la ingeniería de materiales magnéticos blandos que dice que estas propiedades se deterioran a medida que decrece el tamaño de grano, fueron descubiertos por investigadores de la corporación Hitachi en el año 1988 y rápidamente ocuparon su lugar en la industria empleándolos en sensores o núcleos de transformadores a través de las empresas más innovadoras.

A pesar de la gran cantidad de estudios realizados y de aleaciones investigadas quedan aún muchos temas sin resolver –siendo uno de los principales problemas el frágil comportamiento mecánico que algunas aleaciones presentan- y continuamente se descubren nuevas propiedades y aplicaciones.

También en el laboratorio de sólidos amorfos de la universidad de buenos aires, pero bajo la supervisión de Fernando Enrique Audebert se hace un análisis estructural y de las propiedades mecánicas de un sistema metálico amorfo con base aluminio.

La obtención de una estructura amorfa por enfriamiento brusco a partir de determinadas aleaciones metálicas, trae como consecuencia que se presente una combinación de propiedades superiores a su contraparte cristalina.

Con el objetivo de desarrollar aleaciones metálicas con una alta relación resistencia/peso y un buen comportamiento frente a la corrosión, se estudio el sistema al-fe-nb con base aluminio, obtenido por enfriamiento rápido desde el líquido. Para la producción de las muestras se utilizó la técnica denominada "melt-spinning", que consiste en impactar un chorro de aleación líquida sobre una rueda de cobre que gira a alta velocidad. En dicho sistema se ha encontrado un pequeño rango de amortización. El análisis estructural de estos vidrios se realizó

mediante microscópico electrónica, difracción de rayos x, espectroscopia mössbauer y calorimetría diferencial de barrido.

Debido al tamaño y forma de las muestras, un mm. De ancho con espesores entre 20 y 30 µm, su comportamiento mecánico se evalúo mediante ensayos de micro dureza y análisis fractográfico. El comportamiento frente a la corrosión en soluciones con cloruros, se estudio mediante la técnica potencio cinética. La superficie de las muestras posee una capa de óxidos pasavantes que se forman durante el enfriamiento rápido al aire. La composición de los mismos, como la de los obtenidos en los ensayos en soluciones con cloruros, se estudió mediante espectroscopia de fotoelectrones.

Estas aleaciones, podrían utilizarse como superficies resistentes a la corrosión y al desgaste mecánico, siendo las industrias automotriz y aeronáutica las principales beneficiadas.

APLICACIÓN EN LA INDUSTRIA ELÉCTRICA: En los estados unidos la empresa allied-signal fabricó núcleos

magnéticos de una aleación metálica amorfa de fe-b-si para ser utilizados en los transformadores de la red de distribución eléctrica. Estos núcleos resultaron ser más eficientes magnetizando, el metal amorfo redujo las perdidas del transformador (de acero) en un 75%. Sin embargo el reemplazo se hace difícil ya que el metal amorfo es más delgado y frágil que los materiales actualmente utilizados.

APLICACIÓN MAGNÉTICA: Una aleación amorfa utilizada como fuente magnética es el

fe80b11si9, que posee una gran estabilidad térmica, materiales con costos razonables y una inducción de saturación de 1.59 t como se muestra en la figura, a pesar de que la inducción de saturación es solo un 80% de lo que presenta el acero-silicio, utilizado mayoritariamente, el núcleo del metal amorfo genera solo 30% de las perdidas totales que genera el acero-silicio.

CONCLUSIÓN

Los sólidos amorfos no poseen una estructura definida ya que su orden de moléculas es al azar por lo cual su ordenamiento no es de largo alcance, muchos materiales pueden adoptar estructura amorfa si se enfrían con la mayor rapidez en su estado líquido. Ejemplos clásicos de estos compuestos son el vidrio y algunos plásticos.

Gracias a las técnicas de rayo x es posible entender estos compuestos con una mayor claridad y aprovechar sus características tanto en aplicaciones científica como son sensores de los trasformadores y ciertas aplicaciones de aleaciones metálicas para evitar la corrosión en superficies y evitar el desgaste mecánico esto aplicado en la industria automotriz.

BIBLIOGRAFÍAWarren k. Lewis, química industrial de los materiales coloidales y amorfos (1948)Richard zallen, the physics of amorphous solidsS.r. Elliot, physics of amorphous materials, 2da editionJames f. shackelford, ciencia de materiales para ingenieros, editorial prentice hall hispanoamericana s.a., 3° edición, México, 1995.

WEBGRAFÍA:*members.tripod.com "polímeros"*www.fvet.uba.ar (universidad de buenos aires).* www.fiísicanet.com.ar/química/materia/ar02_los_materiales.php*www.xtal.iqfr.csic.es/cristalografia/parte_01.html*www.genealog.cl/cursos/id42a/trabajos/1amorfos/solidosamorfos.html

* www.mitecnologico.com/Main/EstructuraAmorfa* es.wikipedia.org/wiki/S%C3%B3lido_amorfo* es.wikibooks.org/wiki/Qu%C3%ADmica/S%C3%B3lidos_amorfos_y_cristalinos* www.worldlingo.com/ma/enwiki/es/Amorphous_solid*http://material.fis.ucm.es/paloma/_private/notas/ejemplos/vidriosdescripcion.pdf

Cuestionario:1.- ¿De qué manera se clasifican los materiales sólidos?

2.- ¿Cómo se definen los sólidos amorfos?

3.- ¿De qué manera se puede clasificar los sólidos amorfos?

4.- Según el proceso de solidificación de un polímero ¿que clase de compuestos podemos obtener?

5.- ¿Con que otro nombre se les conoce a los polímeros amorfos?

6.- ¿Cuáles son los modelos que intentan explicar la estructura de un amorfo?

7.- ¿Cuál es la diferencia estructural entre una red cristalina y un compuesto amorfo?

8.- ¿Cuál es la diferencia en cuanto al punto de fusión entre una red cristalina y un compuesto amorfo?

9.- ¿Qué característica comparten los compuestos amorfos con los gases y líquidos, la cual se debe a la falta de regularidad en el ordenamiento de las partículas en los sólidos amorfos?

10.- ¿cuáles fueron las primeras aplicaciones comerciales de los metales amorfos?

Cuestionario preguntas-respuestas:

1.- ¿De qué manera se clasifican los materiales sólidos?R= cristalinos, amorfos y semicristalinos

2.- ¿Cómo se definen los sólidos amorfos? R= son aquellos que no presentan una estructura ordenada.

3.- ¿De qué manera se puede clasificar los sólidos amorfos?

R= Desde el punto de vista estructural en: redes tridimensionales no periódicas, moléculas individuales de cadena larga, ordenaciones intermedias entre estos dos casos.

4.- Según el proceso de solidificación de un polímero ¿que clase de compuestos podemos obtener?R= Un compuesto amorfo a una red cristalina.

5.- ¿Con que otro nombre se les conoce a los polímeros amorfos? R= vítreos

6.- ¿Cuáles son los modelos que intentan explicar la estructura de un amorfo?R= Modelo de empaquetamiento denso al azar, modelo poliédrico, modelo microcristalino.

7.- ¿Cuál es la diferencia estructural entre una red cristalina y un compuesto amorfo?R= En la red cristalina los átomos están dispuestos de manera regular y ordenada en cambio en los compuestos amorfos carecen de una estructura ordenada, formas y caras bien definidas.

8.- ¿Cuál es la diferencia en cuanto al punto de fusión entre una red cristalina y un compuesto amorfo?R= En la red cristalina existe un punto de fusión claramente definido, en el compuesto amorfo no.

9.- ¿Qué característica comparten los compuestos amorfos con los gases y líquidos, la cual se debe a la falta de regularidad en el ordenamiento de las partículas en los sólidos amorfos?R= Son compuestos isotrópicos.

10.- ¿cuáles fueron las primeras aplicaciones comerciales de los metales amorfos?R= formación de cintas de materiales magnéticos blandos.