(Latín cristalino, griego krustallos, helado)
Un sólido de materia homogénea con una estructura atómica ordenada y una forma externa limitada por superficies lisas, planas y dispuestas simétricamente (caras).
FÍSICO
La mayoría de los materiales sólidos tienen una disposición atómica ordenada y son de estructura cristalina. Se dice que los sólidos que no tienen una estructura cristalina, como el vidrio, son amorfos. Por lo tanto, la cristalería está compuesta de material amorfo y, por lo tanto, no son cristales en el sentido físico del término.
Para obtener más información, consulte el artículo. cristal [VERRE].
Los cristales más comunes son nieve, azúcar, sales, silicatos, óxidos, sulfuros, metales y gemas (diamante, rubí, etc.).
1. Formación y crecimiento de cristales
1.1. Principios generales
La materia cristalizada es muy común en la naturaleza. Sin embargo, aparte de ciertos cristales de origen geológico, cuyo tamaño puede llegar a varios metros (como los cristales gigantes de yeso de la famosa cueva de Naica en México), el material cristalino se presenta con mayor frecuencia en una forma llamada policristalina correspondiente a un compacto y un conjunto desordenado de pequeños cristales a menudo mucho más pequeños que un milímetro. De hecho, el crecimiento de un cristal obedece a leyes precisas y su formación depende de varios factores, en particular de la presión y la temperatura de su entorno de formación. Un cristal se forma cuando un sólido se forma gradualmente a partir de un fluido, ya sea por congelación de un líquido, por deposición (o precipitación) de una sustancia disuelta o por condensación directa de un gas. Si se deja enfriar un material cristalino fundido, se solidifica mientras se recristaliza. Esta recristalización no ocurre de una vez: se inicia en varios lugares del cristal y luego se propaga gradualmente a todo el volumen. Más precisamente, la cristalización comienza en la superficie, donde la temperatura es más baja que en el corazón del material. En este último, la cristalización se inicia preferentemente en determinados lugares denominados sitios de nucleación. Las impurezas y otros defectos son excelentes sitios de nucleación. Este modo de crecimiento explica la existencia de policristales: desde cada sitio, la cristalización no tiene lugar necesariamente con la misma orientación; así, en el centro de cada grano de un policristal hay un sitio de nucleación. Para obtener un monocristal, es necesario partir de un producto extremadamente puro. Sin embargo, esto no es suficiente: también se debe realizar un enfriamiento lento y controlado. En efecto, si el enfriamiento es demasiado brusco, los átomos no tienen tiempo de disponerse perfectamente, lo que favorece la aparición de defectos. Esto es lo que ocurre al endurecer aceros: controlamos el número de defectos necesarios para obtener la dureza deseada. Los métodos modernos para la obtención de monocristales (proceso Verneuil, proceso Czochralski, proceso de disolución anhidra, etc.) se basan en técnica epitaxial : se trata de hacer crecer el cristal en capas, realizando sucesivos depósitos. Estos métodos se utilizan ampliamente en la industria de los semiconductores para fabricar componentes electrónicos, incluidos chips de computadora. De hecho, en estos dispositivos, el menor defecto constituye un verdadero veneno para las propiedades electrónicas; por eso utilizamos materiales cuya pureza alcanza el 99,999 999 99%. El control de las condiciones de crecimiento es, por tanto, fundamental para la obtención de cristales de alta pureza, que se utilizarán tanto en la investigación fundamental como en la industria (láseres, semiconductores, centelleadores, etc.). En teoría, hay 32 clases de cristales que se agrupan en siete sistemas cristalinos, según la longitud y la disposición de los ejes de los cristales: líneas imaginarias que pasan por el centro del cristal, intersectan las caras y definen las relaciones de simetría. del cristal. Los cristales de cada sistema comparten ciertos detalles de simetría y forma cristalina, así como muchas propiedades ópticas. Estos siete sistemas de cristalización, descritos a continuación, son muy importantes para los mineralogistas y gemólogos (especialistas en piedras preciosas) que los utilizan para la descripción de cada mineral. Este sistema incluye cristales con tres ejes, todos perpendiculares entre sí y todos de la misma longitud. El elemento básico es un cubo. Este sistema está formado por cristales de tres ejes, todos perpendiculares entre sí y dos de la misma longitud. El elemento básico es un prisma recto de base cuadrada. Este sistema incluye cristales con tres ejes, todos perpendiculares entre sí y todos de diferente longitud. El elemento básico es un paralelepípedo rectangular. Este sistema comprende cristales con tres ejes de diferente longitud, dos de los cuales forman un ángulo distinto de 90 °, siendo el tercero perpendicular a ellos. El elemento básico es un prisma oblicuo con base de diamante. Este sistema comprende cristales que tienen tres ejes de diferente longitud y que forman entre ellos diferentes ángulos de 90 °. El elemento básico es un paralelepípedo con base en forma de rombo. Este sistema incluye cristales con cuatro ejes. Tres de estos ejes, de la misma longitud, están en el mismo plano y forman un ángulo de 120 ° entre ellos. El cuarto eje, perpendicular a los otros tres, es un eje de orden 6 (estructura simétrica por rotación de 60 °). El elemento básico es un prisma recto con base de diamante. Este sistema incluye cuatro ejes como el sistema hexagonal, pero el cuarto eje es de orden 3 (estructura simétrica por rotación de 120 °). El elemento básico es un paralelepípedo, cuyas caras son rombos. Estos sistemas, a su vez, pueden presentarse en cuatro modos diferentes: simple, centrado, centrado en la cara, centrado en dos caras. Un cristal “clásico” (a excepción de los cuasicristales) se caracteriza por tanto por una figura geométrica (cubo, paralelepípedo, prisma, etc.), denominada malla del sistema, que se repite un gran número de veces y que contiene una serie de átomos o moléculas (el patrón). Así, un cristal clásico está completamente definido por sus parámetros de malla (longitudes y ángulos que definen la figura geométrica) y su patrón. Diversos materiales pueden cristalizar en diferentes sistemas creando sustancias que, aunque idénticas en su composición química, son diferentes en prácticamente todas sus propiedades físicas: estas se denominan formas alotrópicas. Por ejemplo, las tres variedades alotrópicas de carbono más conocidas son: diamante, grafito y fullereno; la cuarta forma es el carbono amorfo. El diamante, el material natural más duro, tiene una estructura cúbica centrada en la cara; el grafito cristaliza en el sistema hexagonal, generalmente en forma de prismas aplastados y friables; y la famosa estructura de fullereno C60 – que parece una pelota de fútbol – corresponde a un icosaedro truncado (compuesto por 20 hexágonos y 12 pentágonos), donde cada átomo de carbono se ubica en uno de los 60 vértices del poliedro inscrito en una esfera. Del mismo modo, el hierro se produce en un modo cúbico centrado a temperatura ambiente (hierro alfa), pero cambia a una estructura cúbica centrada en las caras por encima de 906 ° C (hierro gamma). Las numerosas propiedades fisicoquímicas de los cristales se derivan directamente de su estructura cristalina y, en particular, de sus defectos estructurales. Por ejemplo, las propiedades excepcionales del diamante (una de las formas alotrópicas del carbono) – su dureza, conductividad térmica (→ conducción) y transparencia a la luz – se revelan perfectamente al conocer la disposición geométrica de sus átomos. sistema). Además, algunos cristales adquieren cargas eléctricas cuando son sometidos a presión (fenómeno de piezoelectricidad) o bajo el efecto del calor (fenómeno de piroelectricidad). Este es particularmente el caso de los cristales de cuarzo piezoeléctricos, capaces de transformar de forma reversible la energía eléctrica en energía mecánica, y que se utilizan por estos motivos en relojes de cuarzo, mecheros, etc. Otros cristales, como el germanio y el silicio, presentan propiedades semiconductoras, que se utilizan en particular en transistores para amplificar la corriente eléctrica. Estos cristales semiconductores se encuentran en un buen número de dispositivos cotidianos ya que son muy utilizados en la fabricación de componentes microelectrónicos (equipos informáticos, electrodomésticos, equipos audiovisuales, etc.). Algunos cristales semiconductores también tienen la propiedad muy interesante de emitir luz coherente y, por lo tanto, se utilizan en la fabricación de los llamados láseres sólidos (láser de rubí, láser YAG – granate de itrio y aluminio, etc.) utilizados en investigación básica, medicina e industria. (principalmente para mecanizado de materiales y telemetría láser). Los cristales con propiedades magnéticas se utilizan en la fabricación de diversos soportes de grabación (principalmente tarjetas inteligentes). Los cristales de silicio o sulfuro de cadmio se utilizan en células fotoeléctricas para convertir la energía solar en energía eléctrica. También hay cristales que tienen la propiedad de cambiar de color por efecto de una variación de temperatura o campo eléctrico: se trata de cristales líquidos. Se utilizan para mostrar información en varios dispositivos: relojes, termómetros, calculadoras, pantallas de computadora, etc. Finalmente, un último tipo de cristales, los cuasicristales, tienen una estructura no periódica que induce propiedades fisicoquímicas muy atípicas que son objeto de intensas investigaciones en física y metalurgia del estado sólido. Para obtener más información, consulte el artículo. cristalografía.
1.2. Sitios de nucleación de policristales
1. 3. Obtención de monocristales
2. Sistemas cristalinos
2.1. Cúbico
2.2. Cuadrático o tetragonal
2.3. Ortorrómbico
2.4. Monoclínica
2.5. Triclínica
2.6. Hexagonal
2.7. Romboédrico
2.8. Variantes
Mallas y patrones
Alotropía
3. Propiedades y aplicaciones de los cristales
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