La estructura de los materiales es el modo en que se enlazan, ordenan y manifiestan sus componentes a distintas escalas de observación. Entiéndase por componentes los átomos, moléculas, iones, cadenas, planos, cristales, granos cristalinos, entre otros conjuntos de partículas. Y a su vez, en lo que respecta a las escalas de observación, nos referimos a las nano, micro y macroestructuras.
Dependiendo del tipo de enlace químico presente en las estructuras de los materiales, se tendrá lugar distintas propiedades mecánicas, químicas, ópticas, térmicas, eléctricas, o cuánticas. Si el enlace es iónico, el material será iónico. Mientras, si el enlace es metálico, el material será metálico.
La madera, por ejemplo, es un material polimérico y fibroso, pues está hecho de polisacáridos de celulosa. Las eficaces interacciones entre sus cadenas de celulosa definen un cuerpo duro, capaz de moldearse, cortarse, teñirse, pulirse, cincelarse.
Es necesario destacar que el material es toda materia que cumple un propósito en la vida o en la historia de la humanidad. Conociendo sus estructuras, se puede ingeniar nuevos materiales con propiedades optimizadas para determinadas aplicaciones, ya sean industriales, hogareñas, artísticas, computacionales o metalúrgicas.
[toc]
Estructura de los materiales metálicos
Los materiales metálicos abarcan todos los metales y sus aleaciones. Sus estructuras están compuestas de átomos fuertemente compactados unos al lado o encima del otro, siguiendo un orden periódico. Se dice por lo tanto que constan de cristales metálicos, los cuales se mantienen fijos y cohesionados gracias al enlace metálico que existe entre todos sus átomos.
Entre las estructuras cristalinas más comunes para los metales se hallan la cúbica centrada en el cuerpo (bcc), la cúbica centrada en las caras (fcc), y la hexagonal compacta (hcp), siendo esta última la más densa. Muchos metales, como el hierro, la plata, el cromo o el berilio, se caracterizan asignándoles a cada uno de ellos una de estas tres estructuras.
No obstante, tal descripción no basta para describirlos como materiales.
Los cristales metálicos pueden adoptar más de una forma o tamaño. Así, en un mismo metal se observarán más de un cristal. De hecho, habrá muchos de ellos, los cuales se conocen mejor con el término de grano cristalino.
La distancia que separa los granos entre sí se conoce como borde o límite de grano y es, junto con los defectos cristalinos, uno de los factores más determinantes en las propiedades mecánicas de los metales.
Estructura de los materiales cerámicos
La mayoría de los materiales pueden describirse como en el apartado anterior, es decir, en función de los cristales, de sus números, tamaños o formas. Lo que varía sin embargo para el caso de los materiales cerámicos, es que sus componentes no constan solo de átomos, sino de iones, localizados frecuentemente en una base amorfa de silicato.
Por lo tanto, las cerámicas tienden a ser materiales semicristalinos o completamente cristalinos cuando está ausente el dióxido de silicio. En sus estructuras predominan los enlaces iónicos y covalentes, siendo los iónicos los de mayor importancia. Generalmente, las cerámicas son materiales policristalinos; esto es, constan de muchísimos cristales pequeños.
Las cerámicas son materiales de composiciones muy variables. Por ejemplo, los carburos, nitruros y fosfuros se consideran cerámicas, y en sus estructuras conformadas por redes tridimensionales se rige el enlace covalente. Esto les confiere la propiedad de ser materiales muy duros y de alta resistencia térmica.
Las cerámicas vítreas, por tener una base de dióxido de silicio, se consideran amorfas. Por lo tanto, sus estructuras son desordenadas. Mientras, hay cerámicas cristalinas, como los óxidos de aluminio, magnesio y circonio, cuyas estructuras se componen de iones unidos por el enlace iónico.
Estructura de los materiales cristalinos
Los materiales cristalinos integran una gran familia de materiales. Por ejemplo, los metales y las cerámicas se clasifican como materiales cristalinos. Estrictamente hablando, los materiales cristalinos son todos aquellos cuyas estructuras son ordenadas, sin importar que estén compuestos de iones, átomos, moléculas o macromoléculas.
Todas las sales y la inmensa mayoría de los minerales entran en esta clasificación. Por ejemplo, la piedra caliza, compuesta principalmente por carbonato de calcio, pudiera decirse que es un material cristalino, aun cuando no siempre sea transparente y brillante, según su proceso natural de formación.
Los cristales de azúcar, por otro lado, están hechos de moléculas de sacarosa. Como tal el azúcar no es un material, a menos que se construyan castillos, carcasas, muebles o sillas de azúcar. Entonces, el azúcar sí pasaría a convertirse en un material cristalino. El mismo razonamiento aplica para todos los demás sólidos moleculares, incluyendo el hielo.
Estructura de los materiales ferrosos
Los materiales ferrosos son todos aquellos que consisten de hierro y sus aleaciones con el carbono. Por lo tanto, los aceros cuentan como materiales ferrosos. Sus estructuras, al igual que la de los metales, se basan en cristales metálicos.
Sin embargo, las interacciones son un tanto distintas, pues los átomos de hierro y carbono forman parte de los cristales, por lo que no se puede hablar de un enlace metálico entre ambos elementos.
Otros ejemplos
Nanomateriales
Muchos nanomateriales, al igual que los materiales ya discutidos, se describen también en función de sus nanocristales. Sin embargo, estos comprenden otras unidades estructurales más singulares, compuestas por menos átomos.
Por ejemplo, las estructuras de los nanomateriales pueden describirse por átomos o moléculas ordenados en forma de esferas, miscelas, tubos, planos, anillos, platos, cubos, etc., los cuales podrán o no generar nanocristales.
Si bien en todas esas nanoestructuras puede estar presente el enlace iónico, como sucede con las nanopartículas de innumerables óxidos, es más común el enlace covalente, responsable de aportar los ángulos de separación necesarios entre los átomos.
Materiales poliméricos
Las estructuras de los materiales poliméricos son predominantemente amorfas. Esto se debe a que sus polímeros conformantes son macromoléculas que difícilmente logran ordenarse de manera periódica o repetitiva.
No obstante, en los polímeros puede haber regiones relativamente ordenadas, por lo que algunos se consideran como semicristalinos. Por ejemplo, el polietileno de alta densidad, el poliuretano y el polipropileno se consideran polímeros semicristalinos.
Materiales jerárquicos
Los materiales jerárquicos son vitales en la naturaleza y sostienen los cuerpos vivos. La ciencia de los materiales se dedica incansablemente a mimetizar dichos materiales, pero utilizando otros componentes. Sus estructuras son “desarmables”, empezando por las partes más pequeñas hasta la más grande, la cual vendría a ser el soporte.
Por ejemplo, un sólido que se compongan de varias capas de distinto grosor, o que tenga cavidades tubulares y concéntricas ocupadas por átomos, se considerará de estructura jerárquica.
Referencias
- Shiver & Atkins. (2008). Química Inorgánica. (Cuarta edición). Mc Graw Hill.
- Wikipedia. (2020). Materials science. Recuperado de: en.wikipedia.org
- Marc Ander Meyers and Krishan Kumar Chawla. (s.f.). Materials: Structure, Properties, and Performance. [PDF]. Cambridge University Press. Recuperado de: assets.cambridge.org
- University of Washington. (s.f.). Metals: Structures of Metals. Recuperado de: depts.washington.edu
- University of Tennessee. (s.f.). Chapter 13: Structure and Properties of Ceramics. [PDF]. Recuperado de: web.utk.edu