Estructura NanométricaNiveles estructurales de la materia y propiedades. Propiedades sensibles e insensibles Nanoestructura materiales cristalinos ysensibles e insensibles. Nanoestructura, materiales cristalinos y amorfos, conceptos de cristalografía, simetría, red espacial y motivos, redes de Bravais, características de las diferentes estructuras, factor de empaquetamiento, sitios intersticiales, direcciones y planos cristalográficos, cristales metálicos, cristales cerámicos, cristales poliméricospoliméricos.

Estructura de los materialesEstructura de los materiales

Á

(Moléculas)Amorfos

Granos CristalinosSuperestructurasElectrones Átomo

(Å)

AmorfosCristales

( )

DefectosEtc.

ElectronesNeutronesProtones

(nm) (m)

Propiedades pelectrónicas, Magnéticas, Eléctricas

Propiedadesinsensibles a lamicroestructura

Propiedadessensibles a lamicroestructura

Introducción a la ciencia en ingeniería de materiales2

Eléctricas, etc.

microestructura microestructura

Cristales y simetría externaCristales y simetría externa

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Introducción a la ciencia en ingeniería de materiales3

Conceptos de CristalografíaConceptos de Cristalografía Estructura periódica o repetitiva. Orden de largo alcance (alrededores idénticos) Resulta de la organización periódica de puntos en el espacio, a la

cual se le asocia un motivo molecular

Introducción a la ciencia en ingeniería de materiales4Maurits Cornelis Escher (1898-1972)Profundidad (1955)

Representación geométrica de la estructura cristalina

El sistema es tal que puede ser descrito por una celda unidad El sistema es tal que puede ser descrito por una celda unidad Celdas unidad que contienen un único punto de la red (mínimo

volumen posible) se llaman celdas primitivas En el espacio seis parámetros (a b c ) En el espacio, seis parámetros (a, b, c, , , )

Introducción a la ciencia en ingeniería de materiales5

En el interior de una estructuraEn el interior de una estructura

Introducción a la ciencia en ingeniería de materiales6

Las redes de BravaisLas redes de Bravais

Bravais demostró que solo hay catorce tipos de redes o formas únicas posibles enformas únicas posibles en las que los puntos pueden distribuirse periódicamente en el espacio

La condición de orden de largo alcance limita lalargo alcance limita la cantidad de geometrías posibles.A Bravais (1811 1863)

Introducción a la ciencia en ingeniería de materiales7

posibles.A. Bravais (1811-1863)

Catorce redes tridimensionalesCatorce redes tridimensionales

Introducción a la ciencia en ingeniería de materiales8

Empaquetamiento y CoordinaciónEmpaquetamiento y Coordinación

Nc = Cantidad de vecinos más próximos

lddlúátomosdevolúmenF

Introducción a la ciencia en ingeniería de materiales9

celdadevolúmen

ApilamientoApilamiento Características de apilamiento Estructuras compactas

Introducción a la ciencia en ingeniería de materiales10

Sitios intersticialesSitios intersticiales

Introducción a la ciencia en ingeniería de materiales11

Direcciones o filas reticularesDirecciones o filas reticulares Es posible definir filas reticulares como Es posible definir filas reticulares, como

sucesiones de nodos alineados, los cuales cumplen la condición:

Definida por un vector que parte del origen y pasa por al menos un átomo. [u v w]

Se definen familias de direcciones como grupos de direcciones con las mismas propiedades. P. ej. : en sistema cúbico:

Introducción a la ciencia en ingeniería de materiales12

<1 0 0> [100], [010], [001], [100], [010], [001].

Planos cristalográficosPlanos cristalográficos

También es posible distinguir planos formados por conjuntos p jde nodos coplanarios.

Notación de Miller los í di (h k l) d fiíndices (h k l) definen un plano que corta a los ejes x, y, z en las

El plano de esta familia más cercano al origen:

j ydistancia a/h, b/k y c/l, respectivamente, del origen

Introducción a la ciencia en ingeniería de materiales13

origen.

Cristalinidad y MaterialesCristalinidad y Materiales Metales: tipicamente en este caso el motivo Metales: tipicamente en este caso el motivo

es el átomo, que cedió sus electrones de valencia al enlace metálicovalencia al enlace metálico

Cerámicos: Las estructuras son más complejas por que el motivo es molecular ycomplejas por que el motivo es molecular, y pueden ser estructuras iónicas o covalentes.

Polímeros: Muchos termoplásticos pueden Polímeros: Muchos termoplásticos pueden cristalizar parciamente, celdas complejas. El motivo es parte de la macromolecula.motivo es parte de la macromolecula.

Introducción a la ciencia en ingeniería de materiales14

MetalesMetales

c Relación entre R y a? Número de

c

a1

a2

a3

coordinación? Factor de

empaquetamiento?

a1

empaquetamiento?Introducción a la ciencia en ingeniería de materiales15

Cristales Cerámicos IónicosCristales Cerámicos Iónicos

Relación de radios iónicos

Neutralidad de carga Neutralidad de carga

Introducción a la ciencia en ingeniería de materiales16

Estructuras Cerámicas AXEstructuras Cerámicas AX

ClNa ClCs Blenda de Zn

Introducción a la ciencia en ingeniería de materiales17

Estructuras EstequiométricasEstructuras EstequiométricasAmXp AmBnXpm p m n p

CaF BaTiOSiOIntroducción a la ciencia en ingeniería de materiales18

CaF2 BaTiO3SiO2

Superconductores de alta TcSuperconductores de alta Tc

(La,Ba)2CuO4 YBa2Cu4O8 Pb2Sr2YCu3O8

Introducción a la ciencia en ingeniería de materiales19

http://www.jcrystal.com/steffenweber/

Estructuras de los polímerosEstructuras de los polímeros Polímero: Muchas unidades

Red

Polímero: Muchas unidades (meros).

Sustancia constituida por

Ramificado

moléculas compuestas de muchos grupos atómicos (unidades monoméricas) unidos Ramificado

Entrecruzado(unidades monoméricas), unidos mediante enlaces primarios (covalentes).

Lineal Macromolécula: define la

molécula que compone a los polímeros

Introducción a la ciencia en ingeniería de materiales20

p

Estructuras cristalinas de polímeros

L lé l d t t d

PTFE13/1

iPP, iPS3/1

Las moléculas adoptan estados conformacionales particulares que les facilitan la cristalización.L f ió d lí

/

La fracción de polímero que alcanza a organizarse en estructura cristalina varía según el tipo de polímero y tratamientostipo de polímero y tratamientos.

Modelo Bifásico Vigencia de las celdas unidad de

los siete sistemas cristalinoslos siete sistemas cristalinos conocidos.

Alotropía

Introducción a la ciencia en ingeniería de materiales

Anisotropía.

PolietilenoPolietilenoPE ortorrómbicoPE, ortorrómbico

Polímeros 22 Introducción a la ciencia en ingeniería de materiales

PET triclínicoPET, triclínico

23 Introducción a la ciencia en ingeniería de materiales

Complejidad de cristales poliméricosComplejidad de cristales poliméricos

α-iPP Cc C2/c i-Poly(vinylcyclobutane)(Natta &Corradini1960)P21/c (Mencick, 1972)

i Poly(vinylcyclobutane)Ortorrombico (P212121)

Introducción a la ciencia en ingeniería de materiales24

Goma Natural P21a. Eje a Poryecc.

SimetríaSimetría

Simetría:

á Matemáticamente:

las operaciones de simetría describen el proceso que hay que seguir para hacer coincidir objetos idénticos

Introducción a la ciencia en ingeniería de materiales25

hay que seguir para hacer coincidir objetos idénticos

Una idea básicaUna idea básica

Introducción a la ciencia en ingeniería de materiales26

Elementos de simetríaElementos de simetría Simetría respecto de un punto (centro de inversión) Simetría respecto de un punto (centro de inversión) Simetría respecto de un eje Simetría respecto de un plano Simetría respecto de un plano

180º 120º

Introducción a la ciencia en ingeniería de materiales27

Limitaciones en el planoLimitaciones en el plano

Introducción a la ciencia en ingeniería de materiales28