Estructura atomica de los materiales

En este artículo nuestro objetivo es describir los conceptos físicos subyacentes relacionados con la estructura de la materia. Usted aprenderá que la estructura de los átomos afecta a los tipos de enlaces que existen en diferentes tipos de materiales. Estos diferentes tipos de eslabones afectan directamente a la idoneidad de los materiales para aplicaciones de ingeniería del mundo real.

Tanto la composición y la estructura de un material tienen una profunda influencia en sus propiedades y comportamiento. Los ingenieros y científicos que estudian y desarrollan materiales deben entender su estructura atómica. Las propiedades de los materiales son controlables y se pueden adaptar a las necesidades de una aplicación dada mediante el control de su estructura y composición. Podemos examinar y describir la estructura de los materiales en cinco niveles diferentes:

1. macroestructura;
2. microestructura;
3. nanoestructura;
4. corto y largo alcance de disposiciones atómicas; y
5. estructura atómica.

Los ingenieros y científicos que se ocupan de las aplicaciones prácticas y desarrollo de los materiales avanzados necesitan comprender la microestructura y macroestructura de diversos materiales y las formas de controlarlos. La microestructura es la estructura de material a una longitud de escala de 10 a 1000 nm. La longitud de escala es una característica o gama de dimensiones sobre las que estamos describiendo las propiedades de un material o de los fenómenos que se producen en los materiales. La microestructura típicamente incluye características tales como el tamaño de grano medio, la distribución del tamaño de grano, forma del grano, orientación del grano, y otras características relacionadas con defectos en los materiales.

Un grano es un pequeño cristal del material dentro de la cual la disposición de los átomos y las repeticiones de una manera particular, en las tres dimensiones. La macroestructura es la estructura de un material de un nivel macroscópico t donde la longitud escala es @> 100 000 nm. Las características que constituyen la macroestructura incluyen porosidad, recubrimientos superficiales, y características tales como micro-fisuras internas o externas.

También es importante entender cómo la estructura atómica y los enlaces atómicos conducen a diferentes disposiciones atómicas o iónicas en los materiales. La estructura atómica incluye todos los átomos y sus arreglos, que constituyen los componentes básicos de la materia. Es a partir de estos bloques de construcción que todo el nano, micro, macro y los niveles de las estructuras emergen. Los conocimientos adquiridos mediante la comprensión de la estructura atómica y la unión de las configuraciones de los átomos y moléculas son esenciales para la selección adecuada de los materiales de ingeniería, así como para el desarrollo de nuevos materiales avanzados. Un examen detallado de disposición atómica nos permite distinguir entre los materiales que son amorfos o cristalinos (aquellos que presentan arreglos periódicos de los átomos o iones). Los materiales amorfos tienen sólo régimen de corto alcance atómica, mientras que los materiales cristalinos tienen arreglos de corto y largo alcance. En disposiciones atómicas de corto alcance, los átomos o iones muestran un orden determinado sólo en distancias relativamente cortas. Para materiales cristalinos, el orden atómico de largo alcance es en forma de átomos o iones dispuestos en un patrón tridimensional que se repite sobre distancias mucho más grandes (de @> 100 nm a un máximo de unos pocos cm).

La estructura de los materiales: relevancia tecnológica

En el mundo actual, la tecnología de la información (TI), la biotecnología, la tecnología de la energía, la tecnología del medio ambiente, y muchas otras áreas requieren dispositivos más pequeños, más ligeros, más rápidos, portátiles, más eficientes, fiables, duraderos y de bajo costo. Queremos baterías que sean más pequeñas, más ligeras y más duraderas. Necesitamos coches que sean asequibles, de peso ligero, seguros y altamente eficientes de combustible, y » cargado » con muchas características avanzadas, que van desde sistemas de posicionamiento global (GPS) para sensores sofisticados para el despliegue del airbag.

Algunas de estas necesidades han generado un considerable interés en la nanotecnología y sistemas microelectromecánicos (MEMS). Un ejemplo del mundo real de la tecnología MEMS, es un sensor acelerómetro pequeña obtenido por el micromecanizado de silicio (Si). Este sensor se utiliza para medir la aceleración en los automóviles. La información es procesada por un ordenador central y luego se usa para controlar el despliegue del airbag. Las propiedades y comportamiento de los materiales en estos ‘niveles’ ‘micro’ pueden variar en gran medida cuando se comparan con los de su » macro » o estado mayor. Como resultado de ello, la comprensión de la estructura a escala nanométrica o nanoestructura (es decir, la estructura y las propiedades de los materiales a escala nanométrica o @ longitud escala 1-100 nm) y la microestructura son áreas que han recibido una atención considerable. El término » nanotecnología » se utiliza para describir un conjunto de tecnologías que se basan en características físicas, químicas, biológicas y fenómenos que ocurren a una escala nanométrica.