1. El Estado Sólido

Los materiales se clasifican en tres categorías generales: metales (elementos metálicos), cerámicos (compuestos de elementos metálicos y no metálicos) y polímeros (compuestos formados por carbono, hidrógeno y otros elementos no metálicos). En los materiales, diferentes niveles moleculares conforman la estructura, y si esta se modifica, también lo harán sus propiedades.

Niveles Estructurales y Propiedades

En términos de sus dimensiones, los elementos estructurales incluyen (de menor a mayor):

• Subatómico: Cómo se relacionan los elementos químicos.
• Atómico/Molecular: Cómo se relacionan los átomos formando unidades moleculares.
• Microscópico: Agrupación de varias unidades moleculares; cómo se relacionan los distintos granos del material.
• Macroscópico: Cómo se relaciona el material microscópico.

Una propiedad es una característica medible del material, relacionada con su respuesta a una acción externa. La comprensión de muchas propiedades físicas se basa en el conocimiento de las fuerzas interatómicas.

Fuerzas Interatómicas

Al acercarse dos átomos, ejercen fuerzas atractivas (F_A) y repulsivas (F_R), cuya magnitud depende de la distancia interatómica (r). En sólidos, existen tres tipos de enlace químico primario: iónico, covalente y metálico. También existen fuerzas secundarias, más débiles, como las fuerzas de Van der Waals, que influyen en las propiedades físicas.

Enlace Iónico

Se da en compuestos con elementos metálicos y no metálicos. Los átomos metálicos ceden electrones a los no metálicos, adquiriendo configuraciones de gas noble y cargas eléctricas, convirtiéndose en iones.

• Siempre da lugar a estado sólido.
• Depende de la carga y puede interaccionar en cualquier dirección.
• Se debe considerar la electroneutralidad.
• Las fuerzas de atracción son de Coulomb.

Enlace Covalente

Presente en materiales con átomos de electronegatividades similares. Se produce por intercambio de electrones entre átomos adyacentes.

• Puede ser fuerte o débil.
• Las moléculas suelen tener una fuerte cohesión.
• Da lugar a estado sólido, gaseoso o líquido.
• Es direccional.

Enlace Metálico

Se encuentra en metales y aleaciones. Los electrones de valencia no están ligados a un átomo específico, formando una «nube de electrones».

• Generalmente da lugar a estado sólido (excepto Hg).
• No es direccional.
• Fuerzas con valores altos.
• Se puede deformar sin afectar la estructura.

Fuerzas de Van der Waals

Son débiles en comparación con los enlaces primarios. Surgen de dipolos atómicos o moleculares. Dependen del tamaño de las moléculas.

Enlace de Hidrógeno

Tipo especial de enlace secundario, más fuerte que las fuerzas de Van der Waals. Se da en moléculas con átomos de H enlazados a otros átomos.

2. Cristales y Sólidos Amorfos

Durante la solidificación, los átomos se ordenan en un patrón tridimensional repetitivo. Los materiales que no cristalizan se denominan amorfos.

Estructura Cristalina

• Monocristal: Disposición atómica periódica perfecta.
• Policristal: Conjunto de pequeños cristales o granos.

Los monocristales presentan anisotropía (propiedades varían según la dirección). Los policristales presentan isotropía (propiedades iguales en todas direcciones). La difracción de rayos X permite determinar la posición de los átomos. Los polimorfos son las diferentes formas cristalinas de un material. Las formas alotrópicas se refieren a materiales elementales.

3. Red Cristalina

En el modelo atómico de esfera rígida, los átomos se consideran esferas en contacto. La celda unitaria define la estructura cristalina. La red cristalina se define en función del punto de red.

Sistemas Cristalinos

Existen siete sistemas cristalinos: cúbico, tetragonal, hexagonal, ortorrómbico, romboédrico, monoclínico y triclínico.

Tipos de Red

• Primitiva (P): Puntos de red en los vértices.
• Centrada en una cara (A, B, C): Puntos de red en los vértices y en el centro de una cara.
• Centrada en el cuerpo (I): Puntos de red en los vértices y en el centro del cuerpo.
• Centrada en todas las caras (F): Puntos de red en los vértices y en el centro de todas las caras.
• Romboédrica (R): Puntos de red en los vértices y en el centro del cuerpo.

Redes de Bravais

La combinación de los siete sistemas cristalinos y los tipos de red genera las 14 celdas de Bravais.

4. Estructura Cristalina Compacta

Existen dos tipos de empaquetamientos compactos:

• Empaquetamiento hexagonal compacto (HCP): ABABAB…
• Empaquetamiento cúbico compacto (FCC): ABCABC…

Ambos tienen un factor de empaquetamiento del 74% y presentan huecos octaédricos y tetraédricos.

5. Redes, Operaciones de Simetría, Coordenadas, Planos y Direcciones Cristalográficas

Todo material cristalino está representado por una red de Bravais. Las celdas P, I y F pueden ser redes cúbicas.

Operaciones de Simetría

• Ejes de rotación propios: 2, 3, 4, 6…
• Planos de simetría: m
• Centro de simetría: 1
• Ejes impropios: 2, 3, 4, 6…
• Identidad: 1
• Eje helicoidal: Rotación + traslación.
• Planos de deslizamiento: Reflexión + traslación.

6. Densidad Atómica Lineal y Planar

Densidad Atómica Lineal

Fracción de longitud de línea ocupada por átomos en una dirección cristalográfica.

Densidad Atómica Planar

Número de átomos por unidad de área en un plano cristalográfico.

7. Polimorfismo

El polimorfismo se da cuando un material puede cristalizar en diferentes formas. La alotropía se refiere a este fenómeno en sólidos elementales. Ejemplo: Fe (BCC a temperatura ambiente, FCC a partir de 912°C).

8. Imperfecciones en Sólidos

Defectos

Los defectos cristalinos se clasifican según su dimensionalidad. Pueden ser:

• Extrinsecos: Debido a átomos diferentes a los de la red.
• Intrinsecos: No requieren átomos diferentes. Incluyen defectos de punto, de línea, de superficie y de volumen.

Defectos de Punto

• Vacante: Posición atómica vacía.
• Autointersticial: Átomo en un lugar intersticial.

Disoluciones Sólidas

La adición de impurezas forma una disolución sólida o una segunda fase. En metales, se denominan aleaciones. Las impurezas pueden ser sustitucionales o intersticiales. Las reglas de Hume-Rothery determinan la solubilidad.

Defectos Lineales o Dislocaciones

• Dislocación de cuña: Línea adicional de átomos.
• Dislocación helicoidal: Distorsión lineal.
• Dislocaciones mixtas: Combinación de cuña y helicoidal.

Defectos de Superficie o Interfaciales

• Superficie externa: Límite del cristal.
• Límites de grano: Interfases entre granos con diferente orientación.
• Límites de macla: Granos simétricos respecto a un plano.
• Defectos de apilamiento: Interrupción en la secuencia de apilamiento.
• Límites de fase: Separación entre fases diferentes.
• Pared de dominio: Límite entre regiones con diferente magnetización.

Defectos de Volumen

Poros, grietas, inclusiones, etc. Se introducen durante la fabricación.

9. Estructuras Cerámicas

Geometrías en Estructuras Iónicas

En cerámicos con enlace iónico, la estructura cristalina depende de la carga eléctrica y del tamaño relativo de cationes y aniones.

Estructuras Cristalinas Tipo AX

• CsCl: Coordinación 8:8.
• NaCl: Coordinación 6:6.
• ZnS: Coordinación 4:4 (blenda de zinc y wurtzita).
• NiAs: Empaquetamiento hexagonal compacto.

Estructuras Cristalinas Tipo AX₂

• CaF₂: FCC de cationes, aniones en huecos tetraédricos.
• TiO₂: Estructura tetragonal.
• CdCl₂ y CdI₂: Empaquetamiento compacto de aniones, cationes en huecos octaédricos.

Estructuras Cristalinas Tipo AX₃

• ReO₃, WO₃: Estructura cúbica.

Estructuras Cristalinas con Más de Dos Tipos de Iones, A_mB_nX_p

• Perovskita (ABX₃): Estructura cúbica, propiedades piezoeléctricas.
• Espinela (AB₂X₄): FCC de aniones, cationes en huecos tetraédricos y octaédricos.

Silicatos

Compuestos de Si y O. Basados en tetraedros SiO₄^4-. Pueden formar estructuras extendidas. Ejemplos: cuarzo, cristobalita, tridimita, caolinita, talco, micas, zeolitas.

Polimorfos del Carbono

• Diamante: Estructura cúbica de diamante, enlaces covalentes fuertes.
• Grafito: Capas de átomos de carbono en hexágonos, enlaces covalentes dentro de las capas y fuerzas de Van der Waals entre capas.
• Fullereno: Estructura esférica.
• Grafeno: Capa individual de grafito.
• Nanotubos: Estructura cilíndrica.

Impurezas en Cerámicos

Las impurezas pueden formar disoluciones sólidas. Defectos puntuales: Schottky y Frenkel. Defectos extrínsecos: Sustitución de iones con diferente carga. Defectos estequiométricos: Desviación en la proporción de cationes y aniones.

Movimiento Iónico

Las vacantes permiten la conductividad iónica. La conductividad iónica es menor que la electrónica.

10. Técnicas Estructurales para el Estudio de Materiales

Introducción

Técnicas utilizadas: microscopía (óptica, electrónica), difracción (monocristal, polvo cristalino), espectroscopía (IR, Raman, NMR, MAS, rayos X, electrónicas, Mössbauer) y análisis térmicos.

Microscopía

• Óptica: Observación de límites de grano.
• Electrónica: TEM y SEM.
• De campo próximo: AFM, MFM.

Difracción

Se utiliza para estudiar la estructura atómica y molecular.

Espectroscopía

Se utiliza para estudiar las interacciones entre la radiación y la materia.

11. Propiedades Mecánicas

Ensayos Mecánicos

• Tracción: Alargamiento del material.
• Compresión: Contracción del material.
• Cizalladura: Desplazamiento del material.
• Torsión: Cizalladura extrema.

Tensión y Deformación Nominal

Parámetros normalizados para describir la deformación.

Comportamiento Elástico

Deformación reversible. Puede ser lineal o no lineal. Módulo de Young (E): Pendiente de la curva tensión-deformación. Anelasticidad: Comportamiento elástico dependiente del tiempo. Coeficiente de Poisson (ν): Relación entre deformación lateral y axial.

Comportamiento Plástico

Deformación irreversible. Se produce por deslizamiento de planos o flujo viscoso. Límite elástico: Tensión para una deformación plástica de 0.002. Resistencia a la tracción (TS): Tensión máxima en la curva tensión-deformación. Ductilidad: Capacidad de deformación plástica antes de la rotura. Resilencia: Capacidad de almacenar energía elástica. Rotura: Dúctil o frágil. Dureza: Resistencia a la deformación plástica localizada.

12. Propiedades Eléctricas

Conducción Eléctrica. Ley de Ohm

V = I · R R = ρ · l / A σ = 1 / ρ

Conducción Electrónica e Iónica

El flujo de electrones o iones produce corriente eléctrica.

Teoría de Bandas

Explica la conductividad en función de la estructura electrónica del material.

Conducción y Transporte de Electrones

Los electrones libres y los huecos participan en la conducción.

Movilidad de los Electrones

v_d = μ_e · ε σ = n|e|μ_e + p|e|μ_h

Resistividad Eléctrica en Metales

ρ_T = ρ_térmicas + ρ_impurezas + ρ_{deformación plástica}

Semiconductores: Huecos y Electrones

Materiales con un intervalo prohibido de energía estrecho. Tipos: intrínsecos y extrínsecos.

Semiconductores Dopados: Conductividad vs T

La conductividad de los semiconductores extrínsecos depende de la temperatura y del tipo de dopaje.

Dispositivos Semiconductores. Aplicaciones

Diodos, transistores, etc.

Unión Rectificadora p-n

Permite el flujo de corriente en una sola dirección.

Transistores

Amplifican la señal eléctrica y actúan como interruptores.

Conducción Eléctrica en Cerámicos Iónicos y en Polímeros

Los polímeros pueden ser conductores si tienen sistemas π conjugados.

Comportamiento Dieléctrico

Los materiales dieléctricos se utilizan en condensadores. C = Q / V C = ε · A / l ε_r = ε / ε₀

Vectores de Campo y Polarización

La polarización es la alineación de los dipolos en un campo eléctrico.

Tipos de Polarización

• Electrónica: Desplazamiento de la nube electrónica.
• Iónica: Desplazamiento de iones.
• De orientación: Rotación de dipolos permanentes.

Ferroelectricidad

Polarización espontánea en ausencia de campo eléctrico.

Materiales Piezoeléctricos

Polarización inducida por deformación mecánica.

13. Nanoelectrónica Molecular

Computación Molecular

Miniaturización de dispositivos electrónicos.

Cables Moleculares

Moléculas conjugadas que conducen la electricidad.

Interruptores Moleculares

Moléculas que cambian sus propiedades en respuesta a un estímulo externo.

Puertas Lógicas

Moléculas que realizan funciones lógicas.