Ensayo

4. Sólidos no cristalinos: el estado amorfo
4.1. Características generales 4.2. Transformación de un líquido en un sólido amorfo 4.2.1. Métodos de preparación de materiales amorfos 4.3. La difracción de rayos X en materiales amorfos 4.3.1. La función de distribución radial 4.3.2. Experimentos de rayos-X 4.4. Los movimientos atómicos en un cuerpo amorfo 4.5. La temperatura de transición vítrea(Tg) 4.6. Interés tecnológico de los materiales amorfos 4.7. Metaestabilidad de los sólidos amorfos

Definiciones:
r r r f ( r ) = f( r + l ) , es una función periódica → cristal r f ( r ) es una función ordenada pero no periódica → cuasicristal, fractal r → amorfo f ( r ) es una función desordenada

El estado amorfo (etimológicamente “sin forma”) es un estado excepcional de la materia en lanaturaleza, puesto que normalmente una sustancia se presenta, en nuestras habituales condiciones de presión y temperatura, en su estado cristalino, líquido o gas. Sin embargo, actualmente, la utilización de materiales sintéticos amorfos es una práctica normal en diversas aplicaciones tecnológicas.

Estructura de un sólido amorfo

Estructura bidimensional de la sílice amorfa (izquierda) ydistribución regular de la sílice cristalina (derecha)
Silicio amorfo i 1 2 zi 4,0 ± 0,1 11,6 ± 0,5 ri (Å) 2,35 3,86 di2 0,014 0,051 zi 4 12 Silicio cristalino ri (Å) 2,35 3,86 di2 0,010 0,020

Parámetros estructurales en el silicio amorfo y en el cristalino

AMORFO: ORDEN A CORTO ALCANCE, DESORDEN A LARGO ALCANCE

Métodos de preparación de materiales amorfos TIPO I. Materiales que encondiciones normales dan lugar a estructuras amorfas. Proceso de vitrificación. Por el cual el material reduce su temperatura por debajo de la de fusión pero sin cristalizar. Vidrios (SiO2) Vidrios calcogenuros (S, Se, Tl + As, Ge) Macromoleculas (glicerol, glucosa, cauchos, resinas termoestables, algunos plásticos) El fenómeno de vitrificación es típico de materiales de muy elevada viscosidad en el estadofundido. De manera aproximada, se dice que un líquido al enfriarse se transforma en
un vidrio cuando su viscosidad toma valores del orden de 1012 N s m-1, o superiores a éste.

El estado amorfo es un estado metaestable, ya que no tiene la mínima energía (orden), por tanto el material puede cristalizar si se eleva la temperatura

Métodos de preparación de materiales amorfos TIPO II.Materiales que se deben fabricar en condiciones especiales para dar lugar a estructuras amorfas Aleaciones metálicas especiales (Pd90Si20, Ni90 B20) Semiconductores (IV y III-V) Algunos plásticos (PET)
presión

fundido

cinta amorfa

Se alcanzan tasas de enfriamiento del orden de 106 K·s-1 splat cooling o melt-spinning

tambor de cobre
Dispositivo para la obtención de materiales amorfos en formade cintas por enfriamiento ultrarrápido

La difracción de rayos X en materiales amorfos

Diagrama de difracción de un mismo material: Muestra en polvo cristalina. Cristales de dimensiones micrométricas Muestra en polvo cristalina. Cristales de dimensiones nanométricas Material amorfo

El patrón de difracción de un líquido y de un sólido amorfo es idéntico: estructuralmente sonequivalentes

La difracción de rayos X en materiales amorfos Va a permitir determinar la estructura a corto alcance

ρ (r )
4π r
2

Número de átomos que podemos encontrar en un elemento de volumen dv en torno al punto r. Será el número de átomos contenidos en una corteza esférica con radios r y r+dr

ρ ( r ) dr

ρ

Valor de

ρ (r )

a elevados valores de r

Función de distribución radialo función de distribución de pares

ρ (r ) P (r ) = ρ

P(r) 2 1

Función de distribución radial para un sólido cristalino unidimensional de parámetro de red a
a 2a 3a r

P(r) 2 1

Función de distribución radial para un sólido amorfo unidimensional con composición química análoga a la del material cristalino previo
a 2a 3a r

Orden a corto alcance

Desorden a largo alcance...