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domingo, 10 de octubre de 2010

Estructura amorfa

ESTRUCTURA AMORFA



Estructura Amorfa se presenta como un amontonamiento caótico de subestructuras idénticas. La estructura cristalina se presenta en forma de repetición de subestructuras estrictamente periódicas, en las que domina el paralelismo; el cuarzo es el ejemplo más habitual. Por otra parte, en los cristales se distingue un orden a larga distancia, con una organización rigurosamente periódica de las subestructuras, en tanto que en las estructuras



amorfas, las subestructuras siguen líneas quebradas al azar y el orden sólo se discierne a corta distancia. En la difracción también se refleja esta diferencia; la imagen que produce un haz de partículas -fotones, electrones, neutrones- que incide en un cristal amorfo conlleva un punto de impacto central, que corresponde a las partículas no desviadas, rodeado de anillos que corresponden a las distancias medias que son las más frecuentes entre los átomos. Pero, cuando el haz incide en un cristal, la perfecta periodicidad de las estructuras atómicas implica difracciones regulares de las partículas, que tienen lugar en direcciones privilegiadas y características de la estructura del cristal. La imagen se asemeja a una rejilla, en la que se distinguen unos puntos espaciados de forma regular que se llaman reflexiones de Bragg.



Descripción de las propiedades de los sólidos amorfos.



Un sólido amorfo consiste en partículas acomodadas en forma irregular y por ello no tienen el orden que se encuentra en los cristales. Ejemplos de sólidos amorfos son el vidrio y muchos plásticos.



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.



Los sólidos amorfos, 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.



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 microcristalino:



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 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.



En un gas se mantiene prácticamente constante como corresponde a una distribución aleatoria de átomos. En el caso de líquidos y sólidos amorfos no podemos hablar de periodicidad pero se observa una fuerte modulación que efectivamente indica un cierto grado de corto alcance. Finalmente en el sólido cristalino las direcciones de dispersión están perfectamente bien definidas dando lugar a las líneas típicas de difracción.

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