Desde el siglo pasado es bien sabido que la materia está formada por átomos de los diferentes elementos y que de ello dependían sus propiedades físicas y químicas; sin embargo, ahora sabemos que no solo la constitución elemental es suficiente para conocer dichas propiedades.
Uno de los factores más importantes que determinan las propiedades de cada material es el ordenamiento de los átomos, y la rama de la ciencia que se encarga de estudiar dichas configuraciones es la cristalografía.
Podemos considerar en principio una clasificación no purista de los materiales, basada en el ordenamiento de sus átomos constituyentes, como sigue: monocristales, policristales, nanoestructuras y amorfos.
“Cave of Crystal Naica”. Foto: Javier Trueba – Madrid Scientific Films, en www.flickr.com
Para comenzar, se considera un material como amorfo cuando sus átomos no cuentan con un ordenamiento apreciable; ejemplos de ello pueden ser los polímeros y el vidrio, donde los átomos no presentan una estructura que se repita en forma consistente a lo largo y ancho del material. A esto se le llama también simetría de corto alcance, ya que a pesar de existir cierto ordenamiento, éste se da solo en pequeñas zonas.
En el siguiente puesto encontramos a las nanoestructuras, que presentan un ordenamiento atómico en formas definidas, pero en tamaño muy pequeño; como su nombre lo dice, su tamaño, en al menos una de sus dimensiones, se encuentra en el orden de nanómetros 1 nm = 1×10-9 m, i. e.; un nanómetro es una milmillonésima parte de un metro). Las nanoestructuras se nombran de acuerdo con su semejante macroscópico, como: nanoalambres, nanotubos, nanocinturones, nanotripods, etcétera.
En seguida nos encontramos a los policristales, que son la unión de muchos pequeños monocristales; en este grupo se puede encontrar una gran cantidad de materiales de uso común, como son morteros (cementos) y metales de uso industrial y comercial. Su constitución es por monocristales en su microestructura, es decir del orden de micras (1 micra = 1×10-6 m), pero no se encuentran todos orientados en la misma dirección. Y el monocristal es aquel material en el que los átomos se encuentran perfectamente ordenados, que puede tener tamaños desde un grano de sal, menos de un milímetro en cualquiera de sus dimensiones, hasta con 10 metros de longitud por un metro de ancho, como los cristales en la cueva de Naica, en Chihuahua. También en este grupo se encuentran los cuarzos y diamantes, como monocristales naturales. En electrónica se emplean monocristales de Óxido de Silicio y Titanato de Bario BaTiO3, entre otros, que se obtienen a partir de procesos industrializados. En la industria metal-mecánica se hacen turbinas monocristalinas ya que solo en esta estructura estas piezas son capaces de soportar las condiciones de temperatura y esfuerzo a las que son sometidas durante su vida útil.
Cuando un material tiene la capacidad de presentar diferentes estructuras cristalinas, se le conoce como alotrópico; un ejemplo es el carbono, que conocemos en su forma natural como grafito en estructura hexagonal; en la forma más deseada por las damas: diamante de estructura del mismo nombre; en carbono amorfo y en la actualidad en nanoestructuras, nanotubos y fulerenos.
Otra característica interesante es que todas estas configuraciones son estables a presión y temperatura normales, en contraste con otros materiales alotrópicos cuya estructura depende de la temperatura y presión, como el hierro, que tiene cambios cristalinos desde temperatura ambiente hasta 910 oC, tiene estructura cúbica con un átomo en el centro de la celda unitaria (BCC por sus siglas en inglés). A partir de los 910 oC hasta 1400 oC cambia a cúbica con átomos en las caras del cubo (FCC por sus siglas en inglés) y de continuar el incremento de temperatura, de los 1400 oC hasta los 1539 oC, regresa a estructura BCC antes de pasar a fase líquida.
Como podemos observar con el carbono, cada estructura cristalina presenta propiedades completamente diferentes, pero todavía hay factores a considerar, ya que también en algunos casos las propiedades de un material que se desean valorar dependen de la dirección en la que se miden, ya sean propiedades eléctricas, ópticas o mecánicas. Un ejemplo un poco burdo de esto es el truco de romper un huevo presionándolo con las manos; si lo presionamos por los costados seguramente tendremos que preparar un omelet; en cambio, si lo presionamos de punta a base requerimos de una fuerza mucho mayor para lograr romperlo. A esta característica se le conoce con el nombre de anisotropía.
En la industria de la electrónica esta propiedad es muy apreciada, ya que la diferente conducción eléctrica en cada dirección permite la elaboración de diferentes componentes electrónicos para el desarrollo de la tecnología moderna. También la anisotropía óptica es aprovechada en la mecánica para el análisis de esfuerzos en piezas con la llamada fotoelasticidad, que permite observar las zonas de mayor esfuerzo al aplicarle una carga a una pieza y observar la refracción de la luz al paso por la misma.
Dicho todo lo anterior, se puede tener una idea de cómo el ordenamiento atómico y la dirección son factores determinantes para conocer las propiedades de un material, ya sean mecánicas, ópticas o electrónicas.
Una analogía
Consideremos un cubo de Rubik como un conjunto de átomos en una estructura cúbica. Dichos cubos están contenidos en cajas que los tienen ordenados todos con un color en la misma dirección; estas cajas dentro de contenedores marítimos, a su vez un gran número de contenedores en un buque de transporte, y por último un conjunto de buques que transportan contenedores llenos de las cajas con los cubos de Rubik, recordemos que todos ordenados con la cara roja, por ejemplo, al mismo lado, entonces todo este conjunto podría ser considerado como un monocristal de cubos de Rubik.
Si un huracán afectara nuestra flotilla de buques de transporte perderían su formación, pero mantendrían los contenedores en su lugar, en ese caso hablaríamos de un policristal, pero si el huracán incrementara su fuerza y se volcaran nuestros buques en una playa y por casualidad se formara una capa con los contenedores sin perder su orientación ni distancia, tendríamos un material nanométrico, sin dejar de suponer que cada cubo de Rubik representa un conjunto de átomos. Y el último de los casos, en el que el huracán volcase los buques, y los contenedores fueran rotos de tal manera que sus cajas se salieran y rompieran, aunque seguimos teniendo un conjunto de cubos de Rubik, ahora ya no se repiten exactamente, ni siquiera dentro de la caja e, incluso, algunos pudieron girar sus caras en el proceso, entonces podemos correlacionarlo con un material amorfo.
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