Defecto Cristalino

Defecto cristalino

Un defecto cristalino es cualquier perturbación en la periodicidad de la red de un sólido cristalino. El cristal perfecto es un modelo ideal, en el que las diferentes especies (ya sean moléculas, iones u átomos neutros) están colocados de forma periódica y regular, extendiéndose hasta el infinito. En la realidad, cualquier cristal presenta defectos en este modelo ideal, empezando por el hecho de que no hay cristales infinitos.

Son estos defectos cristalinos los que dan las propiedades más interesantes de la materia, como la deformación plástica, la resistencia a la rotura, la conductividad eléctrica, el color, la difusión.

Clasificación

Según sean intrínsecos o extrínsecos

En primer lugar, se clasifican en intrínsecos y extrínsecos:

·         Intrínsecos: naturales, propios del material, salto de los propios átomos.

·         Extrínsecos: impurezas, precipitados.

Según su dimensión.

Se distinguen 4 tipos de defectos:

·   Puntuales: de 0 dimensiones, afectan a un punto de red, perturbando únicamente a vecinos más próximos.

·         Vacante o Vacancia: El defecto vacante es cuando un átomo que se encuentra normalmente en la red cristalina deja de estarlo, dejando así un espacio vacío.

·         Átomo intersticial: El defecto intersticial es cuando un átomo extra se introduce en un lugar de la estructura cristalina donde no se encuentra normalmente.

·         Átomo sustituciones: En este defecto se sustituye un átomo de la estructura cristalina por otro. Se debe tomar en cuenta que el radio del átomo no debe ser diferente de un 15% ya sea en mayor o menor proporción ya que podrían ocurrir perturbaciones en el material. Un átomo de mayor radio hará que los átomos vecinos sufran una compresión, y un átomo surtido de menor radio hará que los átomos vecinos sufran una tensión.

·         Átomo sustituciones grande.

·         Defecto Frankl: Este defecto es una combinación entre el defecto de vacancia e intersticial, donde un átomo que se encuentra en un lugar normal de la estructura cristalina salta hacia un lugar intersticial dejando así una vacancia.

·         Defecto Schottky o de par iónico: en una de vacancias donde ocurren en los enlaces iónicos, donde se debe mantener en equilibrio la estructura cristalina cuando se deja una vacancia de un anión también debe dejarlo un catión. para lo dicho anterior mente un equilibrio en la red. igual debe encontrarse la misma cantidad de aniones como de cationes.

·         Impurezas.

·         Defectos de antiestructura.

                    

·         Defectos lineales: se extienden en una dirección, y afectan a una fila de puntos de red:

·         Dislocaciones

·         Defectos de superficie: se extienden en dos dimensiones:

·         Superficie del cristal.

·         Borde, frontera o límite de grano.

·         Defectos de apilamiento.

·         Maclas.

·         Defectos Volumétricos: de 3 dimensiones, distorsionan fuertemente la red. Suelen estar     formados por la agrupación de defectos puntuales:

·         Cavidades.

·         Precipitación de fases

Soluciones Solidas

Una solución sólida es una solución en estado sólido de uno o más solutos en un disolvente.

El soluto puede incorporarse dentro de la estructura cristalina del disolvente bien mediante sustitución, reemplazando cada átomo del disolvente por un átomo del soluto (y formará una solución sólida sustitucional), o bien de forma intersticial, encajándose los átomos de soluto dentro del espacio que hay entre los átomos del disolvente. Ambos tipos de solución sólida afectan a las propiedades del material ya que distorsionan, aunque sea poco, la estructura cristalina y porque perturban la homogeneidad física y eléctrica del material disolvente.

Existen 2 tipos de soluciones sólidas:

• Sustitucional: El átomo o ion del soluto, ocupa el lugar de los átomos o iones del solvente
• Intersticial: El átomo o ion del soluto se coloca en el intersticio de la celda unitaria del solvente.

Diagramas de Fases

Se denomina diagrama de fase o diagrama de estados de la materia, a la representación entre diferentes estados de la materia, en función de variables elegidas para facilitar el estudio del mismo.1​ Cuando en una de estas representaciones todas las fases corresponden a estados de agregación ,diferentes se suele denominar diagrama de cambio de estado.

Los diagramas de equilibrio pueden tener diferentes concentraciones de materiales que forma una aleación a distintas temperaturas. Dichas temperaturas van desde la temperatura por encima de la cual un material está en fase líquida hasta la temperatura ambiente y en que generalmente los materiales están en estado sólido.

Diagrama de Fases para Sustancias Puras

Existen diferentes diagramas según los materiales, sean totalmente solubles en estado sólido y líquido, o sea miscibles, o que sean insolubles. También pueden darse casos particulares.

Uno de los diagramas de equilibrio más clásico es el de los aceros que tiene particularidades, donde afecta claramente la concentración y las diferentes cristalizaciones que pueden darse en el hierro en estado sólido y a diferentes temperaturas.

Pares (presión, temperatura) de transición de fase entre:

Dos fases sólidas: Cambio alotrópico

Entre una fase sólida y una fase líquida: fusión - solidificación

Entre una fase sólida y una fase vapor (gas): sublimación - deposición (o sublimación inversa)

Entre una fase líquida y una fase vapor: vaporización - condensación (o licuefacción)

Diagrama de Fases binarios

Cuando aparecen varias sustancias, la representación de los cambios de fase puede ser más compleja. Un caso particular, el más sencillo, corresponde a los diagramas de fase binarios. Ahora las variables a tener en cuenta son la temperatura y la concentración, normalmente en masa.

Sistemas Isomorfos

Un diagrama de fases muestra las fases y sus composiciones para cualquier combinación de temperatura y composición de la aleación. Cuando en la aleación sólo están presentes dos elementos, se puede elaborar un diagrama de fases binario. Se encuentran diagramas de fases binarios isomorfos en varios sistemas metálicos y cerámicos. En los sistemas isomorfos, sólo se forma una fase sólida; los dos componentes del sistema presentan solubilidad sólida ilimitada.

Sistema Eutectico 

Las aleaciones eutécticas tienen dos o más materiales y tienen composición eutéctica. Cuando una aleación no eutéctica solidifica, sus componentes solidifican a diferentes temperaturas, exhibiendo un rango de fusión de plástico. De manera contraria, cuando una aleación eutéctica bien mezclada se fusiona, lo hace a una misma temperatura. Las transformaciones de varias fases ocurridas durante la solidificación de una composición de aleación específica puede ser entendida trazando una línea vertical desde la fase líquida a la fase sólida en el diagrama de fases de esa aleación.

Interferencias Luminosas

Se manifiesta cuando dos o más ondas se combinan porque coinciden en el mismo lugar del espacio. Cada onda tiene sus crestas y sus valles, de manera que al coincidir en un momento dado se suman sus efectos. Es frecuente que la interferencia se lleva a cabo entre una onda y su propio reflejo.

Interferencia constructiva: cuando dos ondas interfieren, en los puntos en que coinciden las dos crestas se dice que hay interferencia constructiva. En estos puntos se suman las amplitudes de las ondas.

Interferencia destructiva: al inferir dos ondas, en los puntos donde coincide una cresta de una onda con un valle de la otra onda se dice que hay interferencia destructiva. Las amplitudes en este caso se restan y pueden anularse por completo.

La interferencia puede producirse con toda clase de ondas, no sólo ondas de luz. Las ondas de radio interfieren entre sí cuando rebotan en los edificios de las ciudades, con lo que la señal se distorsiona. Cuando se construye una sala de conciertos hay que tener en cuenta la interferencia entre ondas de sonido, para que una interferencia destructiva no haga que en algunas zonas de la sala no puedan oírse los sonidos emitidos desde el escenario. Arrojando objetos al agua estancada se puede observar la interferencia de ondas de agua, que es constructiva en algunos puntos y destructiva en otros.

Lo esencial del fenómeno de interferencias consiste en que la suma de las dos ondas supuestas de igual amplitud no da lugar necesariamente a una perturbación doble, sino que el resultado dependerá de lo retrasada o adelantada que esté una onda respecto de la otra. Se dice que dos ondas alcanzan un punto dado en fase cuando ambas producen en él oscilaciones sincrónicas o acompasadas. En tal caso la oscilación resultante tendrá una amplitud igual a la suma de las amplitudes de las ondas individuales, y la interferencia se denomina constructiva porque en la onda resultante se refuerzan los efectos individuales. Si por el contrario las oscilaciones producidas por cada onda en el punto considerado están contrapuestas, las ondas llegan en oposición de fase y la oscilación ocasionada por una onda será neutralizada por la debida a la otra. En esta situación la interferencia se denomina destructiva.

Orden de difracción

las imágenes de color más débiles del diafragma de apertura a cada lado del orden O se denomina el 1º orden, 2º, 3º….etc. como se representa en el diagrama de difracción simulado en la figura, que se observaría en el plano focal trasero de un objetivo de 40x. Todas las órdenes representan, en este caso, el patrón de difracción de la retícula de líneas, como se aprecia en el plano focal posterior del objetivo.

Las imágenes difractadas de color más débil del diafragma de apertura son causadas por la luz desviada o difractada; se extienden en forma de abanico en cada una de las aberturas de la retícula de líneas, figura. Las longitudes de onda azules se difractan en un ángulo menor que las longitudes verdes, que están en un ángulo menor que las longitudes roja.

En el plano focal posterior del objetivo, las longitudes de onda azules de cada rendija interfieren para producir el área azul de la imagen difractada de cada espectro o el Orden, de igual modo, que para las áreas rojas y verdes, figura.

Cuando las longitudes de onda difractadas, son media onda fuera de paso para cada uno de estos colores, las ondas destructivas interfieren. Por consiguiente, las áreas oscuras entre los espectros en la posición del Orden 0, todas las longitudes de onda de cada rendija producen luz blanca brillante, que se ve como en el Orden 0 en el centro del plano focal posterior del objetivo.

Cuanto mayor sea el número de órdenes superiores difractadas ​​en el objetivo, y el valor de alta apertura numérica de dicho espécimen, el más mínimo detalle de la muestra puede ser claramente separado (resuelto). Así mismo, cuanto más corta es la longitud de onda de luz visible, mejor es la resolución. Estos conceptos definen, por qué en aperturas numéricas altas las lentes apocromáticas pueden separar mínimos detalles en el color azul claro.

Ley de Bragg y la difracción de Rayos X

Ley de Bragg

La difracción en una dirección dada se debe esencialmente a la relación entre las fases de todas las ondas reflejadas por cada celda unidad del cristal en esa dirección. Los rayos que han atravesado distintos puntos del cristal siguen caminos ópticos de diferente longitud y esta diferencia da lugar a un cambio en la amplitud de la onda resultante; cuando la diferencia de fase es de 180 grados, las ondas se anulan entre sí. Por el contrario, cuando las ondas están en fase, la amplitud de la onda final es la suma de las amplitudes para cada onda. Puesto que un cristal está compuesto de un gran número celdas unidad, la interferencia constructiva entre todas ellas resulta en un haz lo suficientemente intenso para poder ser medido con un detector de rayos X.

Los rayos X se describen matemáticamente como una onda sinusoidal propagándose a través del espacio. Tomando un punto arbitrario como origen, el valor del campo eléctrico  "E" en función del tiempo "t"

El objetivo de los experimentos de difracción por rayos X es averiguar (X,Y,Z) para cada átomo. Para lograrlo es necesario, en primer lugar, determinar la relación entre la red cristalina y la geometría del patrón de difracción y, en segundo lugar, obtener las posiciones de los átomos a partir de la intensidad de la difracción.

La condición para que las ondas estén en fase es que la diferencia de sus caminos ópticos sea cero o un múltiplo entero "n" de la longitud de onda. En un cristal, la diferencia en el camino óptico entre átomos situados en posiciones equivalentes en distintas celdas unidad es 2d(sen o)  donde d es la distancia entre los planos imaginarios que unen los puntos equivalentes de la red cristalina. Es decir, para que se observe interferencia constructiva de rayos X a un ángulo de observación "2O" , se debe cumplir la expresión conocida como Ley de Bragg.

¿Cómo se identifica la estructura cristalina de un material?

A partir de la posición angular, la intensidad y la forma de los máximos de difracción en un patrón de difracción de rayos X de polvos (figura), se puede obtener información estructural del sólido cristalino que se estudia, tomando en cuenta: a) la posición angular: parámetros de celda, sistema cristalino, grupo espacial de simetría, b) la intensidad: estructura cristalina, posiciones atómicas, factores térmicos y de ocupación y c) el ancho: información microestructural, tamaño de cristal, tensiones.

La determinación y refinamiento estructural a partir de datos de difracción de polvos de un sólido cristalino se divide en tres etapas:

1. Grupo especial de Simetría: se determina al identificar las ausencias sistemáticas en el patrón de difracción de polvos de máximos de difracción con determinados índices de Miller. Si no es posible asignar un único grupo espacial, es necesario tomar el cálculo de la solución estructural en paralelo para los diferentes grupos espaciales de simetría posibles.

2. Determinación Estructural: La estrategia es postular modelos estructurales independientemente de los datos de difracción de polvos. Esto conlleva a la generación de una serie de modelos estructurales mediante el movimiento aleatorio de un fragmento estructural dentro de la celda unitaria a través de un algoritmo de optimización global, aceptando o rechazando cada estructura de prueba mediante la comparación directa entre los patrones de polvos calculado y experimental. A partir del número de estructuras generadas, la mejor estructura se selecciona como modelo estructural inicial para el posterior refinamiento estructural.

3. Refinamiento Estructural: En el refinamiento, el patrón de difracción de polvos calculado se compara punto a punto con el patrón de difracción de polvos experimental, y los parámetros seleccionados que definen el modelo estructural y otros que describen el perfil se ajustan por el método de mínimos cuadrados.

En muchos casos el refinamiento se estabiliza al introducir restricciones geométricas basadas en datos experimentales de estructuras conocidas. Esto permite que se refine un número mayor de parámetros y, generalmente, que el resultado sea mejorado en el caso de refinamiento estructural usando datos que no tengan buena calidad.

De esta manera, se intenta dar una visión general de la metodología para determinar y refinar estructuras cristalinas para nuevos materiales a partir de datos de difracción de rayos X en polvos.

Sistemas de Deslizamiento

Un Sistema de Deslizamiento describe al conjunto de planos de deslizamiento simétricamente idénticos, asociados a una familia de direcciones para las cuales el movimiento de dislocación puede ocurrir fácilmente y originar una deformación plástica. Estos sistemas se originan por la aplicación de fuerzas externas sobre la estructura cristalina, haciendo que partes de la misma se deslicen una sobre la otra.

Deslizamiento es el proceso por el cual se produce deformación plástica por el movimiento de dislocaciones. Debido a una fuerza externa, partes de la red cristalina se deslizan respecto a otras, resultando en un cambio en la geometría del material. Dependiendo del tipo de red, diferentes sistemas de deslizamiento están presentes en el material. Más específicamente, el deslizamiento ocurre entre los planos que tienen el menor vector de Burgers, con una gran densidad atómica y separación interplanar. La imagen a la derecha muestra esquemáticamente el mecanismo de deslizamiento.

Sintetizando: Un sistema de deslizamiento está definido por la combinación de un plano que se desliza y la dirección en que se da su desplazamiento.

Existen 3 tipos de sistemas:

Estructura cúbica centrada en las caras (FCC)

El deslizamiento en cristales cúbicos con centro en las caras ocurre en el plano de empaquetamiento compacto, el cual es del tipo {111} y se da en la dirección <110>. En el diagrama, el plano específico y su dirección de deslizamiento son (111) y [110] respectivamente. Dadas las permutaciones de los tipos de planos de deslizamiento y los tipos de dirección, los cristales FCC tienen 12 sistemas de deslizamiento

 

Estructura cúbica centrada en el cuerpo (BCC)

El deslizamiento en cristales BCC ocurre también en el plano de menor vector de Burgers; sin embargo, a diferencia de en los FCC, no hay auténticos planos de empaquetamiento compacto en las estructuras BCC. Por consiguiente, un sistema de deslizamiento en BCC requiere calor para activarse. Algunos materiales BCC (α-Fe por ejemplo) pueden contener hasta 48 sistemas de deslizamiento. Existen seis planos de deslizamiento del tipo {110}, cada uno con direcciones <111> (12 sistemas). Además, hay 24 planos {123} y 12 planos {112}, cada uno con una dirección <111> (36 sistemas, haciendo un total de 48) que, aunque no tienen exactamente la misma energía de activación que los planos {110}, esta es tan cercana que se pueden aproximar como equivalentes para todos los propósitos prácticos. En el diagrama de la derecha, el plano de deslizamiento específico y su dirección son (110) y [111], respectivamente.

Estructura hexagonal compacta (HCP)

El deslizamiento en estos metales es mucho más limitado que en las estructuras BCC y FCC. Esto ocurre debido a poca existencia de sistemas de deslizamiento activos en estas estructuras. La consecuencia de esto es que el metal es generalmente frágil y quebradizo.

Los metales cadmio, cinc, magnesio, titanio y berilio tienen un plano de deslizamiento en {0001} y una dirección de <1120>. Esto define un total de 3 sistemas de deslizamiento según la orientación. No obstante, otras combinaciones son posibles