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2.5.5. Estructura amorfa.1: 442

1. Qu son los Materiales Amorfos?Los materiales amorfos no son algo nuevo de nuestra vida diaria. La misin del Apolo recuper uno de esos materiales desde la superficie lunar, que data de millones de aos, por lo cual no nos debe extraar que los hombres hayan podido crear materiales vtreos (principalmente de silicio) por cientos de aos.

Surgir aqu la pregunta de saber: por qu hoy se habla tanto de estos materiales? Su respuesta radica en el estudio cientfico de los mismos, en las nuevas formas de obtencin y en las considerables caractersticas y promesas tecnolgicas, que en el futuro, prometen quizs un rol ms protagnico en el desarrollo de materiales.

Quizs lo ms importante de este tipo de materiales se pueden resumir en dos cosas:

1. Aspecto cientfico del material. Una gran diversidad de materiales pueden ser reconocidos como amorfos. Pero existe una gran discusin en la definicin cientfica de los materiales amorfos y el conocimiento popular de este tipo de materiales. Existe una confusin entre la propiedad de ser amorfo y materiales amorfos por definicin. El apodo de "amorfo" se asocia a una caracterstica exclusiva del mundo de los vidrios, por eso suelen llamar a los materiales amorfos como vidrios. Mientras que otros critican esta visin, ya que sostienen que los vidrios son simplemente materiales transparentes ubicados en las ventanas.

2. Fundamento fsico de estos materiales, es decir, sus propiedades fsicas. Por ejemplo: su banda energtica, sus propiedades elctricas y magnticas. Caractersticas que son nicas de ellos y no son claras en los slidos cristalinos.

Profundizando estos dos aspectos de discusin, hoy en da podemos avanzar el mundo cientfico y, por supuesto, aprovechar su aplicacin tecnolgica.

Podemos expresar ms cientficamente, que los materiales amorfos son sustancias que al ser sometidas a experimentacin, ponen de manifiesto: su resistencia a la fluencia, caracterstica del estado cristalino (sin presentar una tendencia a asumir la forma geomtrica de los cristales ya que presentan poca o ninguna organizacin estructural).

Sus molculas estn evidentemente distribuidas al azar y las propiedades fsicas del slido son idnticas en todas direcciones (istropo). Ocasionalmente estas sustancias evidencian las propiedades elsticas de los cristales, por ejemplo en una escala considerable su expansin puede ser proporcional a la tensin aplicada. Frecuentemente, si una carga se aplica al material (aunque sea relativamente liviana) y por un intervalo razonable de tiempo, la sustancia desarrollar una deformacin pseudo-permanente, es decir, fluir como si fuera un lquido de viscosidad extremadamente alta. Cuando se les calienta, tales sustancias no evidencian un punto de fusin, aunque se ablandan progresivamente, aumentando con relativa rapidez la tendencia a una deformacin permanente bajo carga.

Los slidos amorfos pueden ser considerados tambin como sustancias lquidas sobreenfriadas. En muchos casos pueden ser preparados del estado lquido por enfriamiento, aunque esto es a menudo difcil, debido generalmente a la inestabilidad trmica: las temperaturas necesarias para alcanzar un alto grado de fluidez. Una justificacin de que se los considere como lquidos sobreenfriados se refiere al hecho de que sus caractersticas de flujo se pueden anticipar extrapolando los valores segn la tendencia de la curva de viscosidad. En otras palabras, si un lquido puede ser enfriado rpidamente, sin que cristalice, su viscosidad tiende a aumentar hasta un valor muy elevado. Tan elevado que el flujo bajo una presin moderada puede volverse despreciable y difcil de medir experimentalmente.

Este tipo de materiales posee un alto grado de aleatoriedad. La gran pregunta es: cul es el tipo de desorden y magnitud de este tipo de material?

La aleatoriedad se puede caracterizar de distintas formas, por ejemplo: de acuerdo a la geometra del material, al spin, al desorden vibracional de los tomos. Este desorden lo podemos entender mejor al compararlo con la forma estndar de un cristal perfecto, en el que un grupo de tomos se encuentran arreglados como parte de un modelo peridico en tres dimensiones y de extensin infinita.

Con esta definicin, para que un material sea considerado como un cristal imperfecto le bastara ser simplemente finito, con claros defectos en su estructura geomtrica como: vacancias, huecos intersticiales, dislocaciones atmicas, (de cualquier modo la forma de desorden concerniente a ellas son ms drsticas por las pequeas perturbaciones que se producen en su estructura, lo que veremos ms adelante).

El desorden geomtrico debido a la aleatoriedad es producto de la no-periodicidad de su estructura, es por esto que los materiales no presentan un orden de largo alcance. Estos materiales como lo mencionamos anteriormente presentan tambin una aleatoriedad en el sentido del spin y en su comparacin con el spin de los cristales perfectos.

En cuanto a la vibracin atmica podemos decir que al compararlo con un cristal perfecto (este concepto es solo vlido a cero Kelvin), sabemos que ellos estn afectos al movimiento aleatorio de sus tomos cerca de la posicin de equilibrio destruyendo la perfecta periodicidad del cristal perfecto cuando es sometido a cualquier temperatura finita. Este desorden vibracional no se traduce en un completo desorden geomtrico.En resumen podemos decir que los materiales amorfos no tienen periodicidad de largo alcance, pero si hay de corto alcance. El material amorfo ms representativo es el vidrio. No debemos olvidar que los materiales amorfos pueden ser obtenidos mediante diversas tcnicas (distintas proporciones de elementos constituyentes segn los huecos intersticiales de los tomos de la estructura base).

Aunque estos materiales existen desde hace cientos de aos, el estudio y desarrollo de ellos se considera reciente y su utilizacin se considera fundamentalmente porque es un material con buenas propiedades electromagnticas entre otras y es econmico

Esta interpretacin de las estructuras de los slidos amorfos, es confirmada por el examen el mtodo de difraccin de rayos x. As pues, si un rayo de luz visible pasa a travs de una lmina de vidrio, sobre cuya superficie se ha trazado un nmero relativamente grande de lneas paralelas, el rayo se desva dependiendo del ngulo de desviacin, de la distancia entre las lneas y del largo de onda de luz. Siendo as los rayos x de escala apropiada son capaces de determinar cuantitativamente la distribucin de los tomos en la estructura de los cristales. Por ejemplo: el anlisis con rayos x ha evidenciado tambin que los cristales se dividen en tres clases principales: los cristales nomopolares o covalentes, los cristales polares o heteropolares. Los estudios con rayos x dan espectros de difraccin claros y preciso, lo que indica una orientacin definida de los tomos o molculas, los slidos amorfos por su parte, dan normalmente espectros indefinidos, similares a los de los lquidos, lo que indica una distribucin desorganizada, al azar, aunque en casos especiales se obtiene una evidencia de un arreglo parcial (ejemplo: espectro de fibra). El examen con rayos x se ha desarrollado como uno de los ms importantes mtodos de investigacin de sustancias amorfas. Muchos slidos cristalinos que se deforman reversiblemente, con pequeas presiones, fluirn como los slidos amorfos, con grandes presiones. (que se ver a continuacin)

El grupo de substancias clasificadas como slidos amorfos, incluye un nmero extraordinario de gran importancia tcnica particularmente para la construccin. Muchos de ellos son mecnicamente resistentes, duros y extraordinariamente resistentes a la accin qumica y fsica, poseen propiedades elsticas valiosas.

2. Mtodos de Obtencin de Slidos AmorfosPor mucho tiempo se pensaba que slo una pequea cantidad de materiales podan ser preparados para formar slidos amorfos, era comn referirse a estas sustancias como "especiales", como " slidos formadores de vidrios" (por ejemplo: xidos de vidrio y los polmeros orgnicos). Esta nocin es errnea, y hoy se conoce como una propiedad universal de la materia , se le llama la capacidad o tendencia a formar sustancias amorfas. El estado de slido amorfo es ubicuo.

La tabla 2.1 presenta un listado de slidos amorfos con su respectivo tipo de enlace y la temperatura representativa de su transicin a estado amorfo (ya que se trata de una vecindad de temperaturas ms precisamente).

Tabla 2.1 Algunos slidos amorfos, su tipo de enlace y su temperatura crtica de formacin del amorfo.Sustancia AmorfaTipo de EnlaceTg (K)Sustancia

amorfaTipo de

EnlaceTg (K)

SiO2

GeO2Si, Ge

Pd0.4 Ni0.4 P0.2BeF2As2S3Covalente Covalente Covalente

Metlico

Inico

Covalente1430

820

-

580

570

470Poliestireno

Se

Au0.8 Si0.2H2O

C2H5OH

Isopentano

Fe,Co,BiPolimrico

Polimrico

Metlico

Enlace de H

Enlace de H

Van der Waals

Metlico370

310

290

140

90

65

-

La idea correcta (expresado pe por D. Turnbull en un paper en el ao 1969) es el siguiente: "Probablemente todos los materiales pueden, si se enfran con la suficiente rapidez y lejana de la temperatura crtica, ser transformados en slidos amorfos".

Este punto de vista ha sido ampliamente apoyado en los ltimos aos, por la gran variedad de materiales de los cuales se han obtenido slidos amorfos. Evidentemente, la mejor muestra a la ubicuidad de este estado de la materia condensada son las aleaciones metlicas. Porque los metales tienden a ordenarse en estructuras simples (existen muchas maneras de estructurarse en cristales), la proliferacin de aleaciones o vidrios metlicos muestra el importante desarrollo de la experimentacin en este campo.

Tradicionalmente, los "formadores de vidrios" han sido materiales asociados con una clase de estructura molecular muy compleja, como los vidrios orgnicos compuestos por grupos de cadenas polimricas. Los metales han sido estudiados por su simpleza y facilidad de generacin de sustancias amorfas.

Existen varios mtodos de obtencin de ese tipo de material, pero el ms antiguo y ms usado hoy en da es el de la fundicin templada. Este mtodo tiene algunas variaciones que han llevado a otros mtodos como son:

4.1. Templado al aire4.2. Templado con lquido4.3. Bloque congelador (en el que se distinguen el "splat-cooling" y el templado giratorio o extraccin)

4.4. Evaporacin

2.-ESTRUCTURA AMORFA: cuando las partculas se sitan en el espacio de forma desordenada En cristalografa, rama de la fsica de los slidos, tradicionalmente se distinguen dos tipos de estructura: amorfa y cristalina. La estructura amorfa, de la que el vidrio es un ejemplo habitual, se presenta como un amontonamiento catico de subestructuras idnticas. La estructura cristalina se presenta en forma de repeticin de subestructuras estrictamente peridicas, en las que domina el paralelismo; el cuarzo es el ejemplo ms habitual.

Por otra parte, en los cristales se distingue un orden a larga distancia, con una organizacin rigurosamente peridica de las subestructuras, en tanto que en las estructuras amorfas, las subestructuras siguen lneas quebradas al azar y el orden slo se discierne a corta distancia.

En la difraccin tambin se refleja esta diferencia; la imagen que produce un haz de partculas -fotones, electrones, neutrones- que incide en un cristal amorfo conlleva un punto de impacto central, que corresponde a las partculas no desviadas, rodeado de anillos que corresponden a las distancias medias que son las ms frecuen

Los materiales de laL fase amorfa (sustancias pcticas, hemicelulosas y protenas) son transportados por orgnulos celulares denominados dictiosomas.tes entre los tomos.

Fase amorfa. Formada por

encuentra sobre todo en las paredes celulares" hemicelulosas, polisacridos no celulsicos [xilana, glucana, galactana, manana, fructana], compuestos pcticos y glucoprotenas. Puede lignificarse.

El anlisis de difraccin de rayos X revela una estructura amorfa, conteniendo trazas de nquel. La microscopia electrnica de barrido muestra escasos sitios cristalinos con tendencia a un arreglo hexagonal http://members.tripod.com

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"Polmeros" http://www.fvet.uba.ar (Universidad de Buenos Aires). http://html.rincondelvago.com/materia-mineral.htmlhttp://www.biologia.edu.ar/botanica/tema7/7-3pared2.htm