3 posibles disposiciones cristalinas de los metales
La Comisión Internacional del Vidrio define el vidrio como un estado de la materia, que suele producirse cuando un material viscoso fundido se enfría rápidamente por debajo de su temperatura de transición vítrea, con un tiempo insuficiente para que se forme una red cristalina regular [1]. El comportamiento sólido de los vidrios está separado del comportamiento líquido a temperaturas más altas por la temperatura de transición vítrea, Tg [2]. El Compendio de Terminología Química de la IUPAC define la transición vítrea como una transición de segundo orden en la que un fundido sobreenfriado da lugar, al enfriarse, a una estructura vítrea [3]. Afirma que por debajo de la temperatura de transición vítrea las propiedades físicas de los vidrios varían de forma similar a las de la fase cristalina. Además, se considera que la estructura de enlace de los vidrios tiene la misma firma de simetría en términos de dimensionalidad de Hausdorff-Besikovitch de los enlaces químicos que para los materiales cristalinos[4].
Los vidrios se producen con mayor frecuencia cuando una masa fundida se enfría por debajo de su temperatura de transición vítrea con la suficiente rapidez para evitar la formación de fases cristalinas. Los materiales que forman vidrios, como los dióxidos, no requieren un enfriamiento muy rápido, mientras que los materiales propensos a la cristalización, como los metales, requieren un enfriamiento muy rápido (quenching); por ejemplo, los primeros vidrios metálicos tuvieron que ser enfriados extremadamente rápido con tasas del orden de 106 K/s para evitar la cristalización. Los vidrios pueden formarse por varios métodos[6]:
Los metales forman cristales, lo que significa que tienen un de átomos
Todos los elementos metálicos (excepto el Cs, el Ga y el Hg) son sólidos cristalinos a temperatura ambiente. Al igual que los sólidos iónicos, los metales y las aleaciones tienen una gran tendencia a cristalizar, tanto si se fabrican por tratamiento térmico como por otras técnicas, como la reducción en solución o la galvanoplastia. Los metales cristalizan fácilmente y es difícil que se forme un metal vítreo incluso con un enfriamiento muy rápido. Los metales fundidos tienen una baja viscosidad y los átomos idénticos (esencialmente esféricos) pueden empaquetarse en un cristal muy fácilmente. Sin embargo, se pueden fabricar metales vítreos mediante aleaciones de enfriamiento rápido, sobre todo si los átomos que los componen tienen tamaños diferentes. Los diferentes átomos no pueden empaquetarse en una celda unitaria simple, lo que a veces hace que la cristalización sea lo suficientemente lenta como para formar un cristal.
La mayoría de los metales y aleaciones cristalizan en una de las tres estructuras más comunes: cúbica centrada en el cuerpo (bcc), hexagonal cerrada (hcp) o cúbica cerrada (ccp, también llamada cúbica centrada en la cara, fcc). En las tres estructuras, el número de coordinación de los átomos metálicos (es decir, el número de vecinos más cercanos equidistantes) es bastante alto: 8 para el bcc, y 12 para el hcp y el ccp. Podemos contrastar esto con los números de coordinación bajos (es decir, las valencias bajas, como 2 para el O, 3 para el N o 4 para el C) que se encuentran en los no metales. En la estructura bcc, los vecinos más cercanos están en las esquinas de un cubo que rodea al átomo de metal en el centro. En las estructuras hcp y ccp, los átomos se apilan como balas de cañón o de billar, en capas con una disposición de seis coordenadas. Cada átomo tiene también seis vecinos más cercanos de las capas superiores e inferiores. La secuencia de apilamiento es ABCABC… en la red ccp y ABAB… en la hcp. En ambos casos, se puede demostrar que las esferas llenan el 74% del volumen de la red. Esta es la mayor fracción de volumen que se puede llenar con una red de esferas iguales.
Aplicaciones del vidrio metálico
Un vidrio es un tipo de material puramente amorfo, es decir, que no tiene un orden de largo alcance. Lo contrario de un material amorfo es cristalino. El término “vidrio” suele referirse al dióxido de silicio sólido, pero en principio, si la velocidad de enfriamiento es lo suficientemente rápida, cualquier líquido puede convertirse en un sólido amorfo. El proceso de enfriamiento reduce la movilidad de las moléculas o los átomos del material, lo que hace que finalmente se fijen en su posición. Si la velocidad de enfriamiento es más rápida que la velocidad a la que las moléculas pueden organizarse en un estado cristalino más favorable desde el punto de vista termodinámico, se formará un sólido amorfo. Como la disposición de los átomos o las moléculas en un vidrio es extremadamente aleatoria, y consiste en enlaces iónicos y covalentes, los vidrios suelen compararse con líquidos altamente viscosos en lugar de con sólidos [2].
Debido a la entropía, muchos polímeros, moléculas orgánicas e incluso metales pueden convertirse en sólidos amorfos mediante el enfriamiento, incluso a velocidades lentas. En cambio, si las moléculas son pequeñas o tienen tiempo suficiente para organizarse en una estructura con orden bidimensional o tridimensional, se formará un sólido cristalino. Por ejemplo, el agua suele formar un sólido cristalino cuando se congela, en lugar de un vidrio, debido a su pequeño tamaño molecular y a su capacidad para reorganizarse rápidamente. La adición de otro líquido, como el etanol, romperá el orden de largo alcance del agua (o de los cristales de hielo) y en su lugar se formará un vidrio al congelarse.
Vidrio metálico
Un metal amorfo (también conocido como vidrio metálico o metal vítreo) es un material metálico sólido, normalmente una aleación, con una estructura desordenada a escala atómica. La mayoría de los metales son cristalinos en estado sólido, lo que significa que tienen una disposición muy ordenada de los átomos. Los metales amorfos no son cristalinos y tienen una estructura similar a la del vidrio. Pero a diferencia de los vidrios comunes, como el de las ventanas, que suelen ser aislantes eléctricos, los metales amorfos tienen una buena conductividad eléctrica y también muestran superconductividad a bajas temperaturas.
Existen varias formas de producir metales amorfos, como el enfriamiento extremadamente rápido, la deposición física de vapor, la reacción en estado sólido, la irradiación de iones y la aleación mecánica.[1][2] Anteriormente, se habían producido pequeños lotes de metales amorfos mediante diversos métodos de enfriamiento rápido, como las cintas de metal amorfo que se habían producido por pulverización de metal fundido sobre un disco metálico giratorio (melt spinning). El rápido enfriamiento (del orden de millones de grados centígrados por segundo) es demasiado rápido para que se formen cristales y el material queda “encerrado” en un estado vítreo[3]. En la actualidad, se han producido varias aleaciones con velocidades de enfriamiento críticas lo suficientemente bajas como para permitir la formación de una estructura amorfa en capas gruesas (más de 1 milímetro); éstas se conocen como vidrios metálicos a granel (BMG). Más recientemente, se han producido lotes de acero amorfo con una resistencia tres veces superior a la de las aleaciones de acero convencionales.