En física de la materia condensada y ciencia de los materiales , un sólido amorfo (o sólido no cristalino ) es un sólido que carece del orden de largo alcance característico de un cristal . Los términos " vidrio " y "sólido vítreo" a veces se utilizan como sinónimos de sólido amorfo; sin embargo, estos términos se refieren específicamente a materiales amorfos que experimentan una transición vítrea . [1] Los ejemplos de sólidos amorfos incluyen vidrios, vidrios metálicos y ciertos tipos de plásticos y polímeros . [2] [3]
El término proviene del griego a ("sin") y morphé ("forma, figura").
Los materiales amorfos tienen una estructura interna de bloques estructurales a escala molecular que pueden ser similares a las unidades estructurales básicas en la fase cristalina del mismo compuesto. [4] Sin embargo, a diferencia de los materiales cristalinos, no existe una regularidad de largo alcance: los materiales amorfos no pueden describirse mediante la repetición de una celda unitaria finita. Las medidas estadísticas, como la función de densidad atómica y la función de distribución radial , son más útiles para describir la estructura de los sólidos amorfos. [1] [3]
Aunque los materiales amorfos carecen de orden de largo alcance, exhiben orden localizado en escalas de longitud pequeñas. [1] Por convención, el orden de corto alcance se extiende solo a la capa vecina más cercana, típicamente solo a 1-2 espaciamientos atómicos. [5] El orden de rango medio puede extenderse más allá del orden de corto alcance en 1-2 nm. [5]
La congelación del estado líquido al sólido amorfo -transición vítrea- se considera uno de los problemas más importantes y sin resolver de la física .
A temperaturas muy bajas (por debajo de 1-10 K), una gran familia de sólidos amorfos tienen diversas propiedades similares a bajas temperaturas. Aunque existen diversos modelos teóricos, ni la transición vítrea ni las propiedades a bajas temperaturas de los sólidos vítreos se comprenden bien a nivel de física fundamental .
Los sólidos amorfos son un área importante de la física de la materia condensada que apunta a comprender estas sustancias a altas temperaturas de transición vítrea y a bajas temperaturas hacia el cero absoluto . A partir de la década de 1970, las propiedades de baja temperatura de los sólidos amorfos se estudiaron experimentalmente con gran detalle. [6] [7] Para todas estas sustancias, el calor específico tiene una dependencia (casi) lineal en función de la temperatura, y la conductividad térmica tiene una dependencia casi cuadrática de la temperatura. Estas propiedades se denominan convencionalmente anómalas porque son muy diferentes de las propiedades de los sólidos cristalinos .
A nivel fenomenológico, muchas de estas propiedades fueron descritas por una colección de sistemas de túnel de dos niveles. [8] [9] Sin embargo, la teoría microscópica de estas propiedades aún no se ha desarrollado después de más de 50 años de investigación. [10]
Notablemente, una cantidad adimensional de fricción interna es casi universal en estos materiales. [11] Esta cantidad es una relación adimensional (hasta una constante numérica) de la longitud de onda del fonón a la trayectoria libre media del fonón . Dado que la teoría de los estados de dos niveles de tunelización (TLS) no aborda el origen de la densidad de los TLS, esta teoría no puede explicar la universalidad de la fricción interna, que a su vez es proporcional a la densidad de los TLS dispersantes. La importancia teórica de este importante y no resuelto problema fue resaltada por Anthony Leggett . [12]
Los materiales amorfos tendrán cierto grado de orden de corto alcance en la escala de longitud atómica debido a la naturaleza del enlace químico intermolecular . [a] Además, en cristales muy pequeños , el orden de corto alcance abarca una gran fracción de los átomos ; sin embargo, la relajación en la superficie, junto con los efectos interfaciales, distorsiona las posiciones atómicas y disminuye el orden estructural. Incluso las técnicas de caracterización estructural más avanzadas, como la difracción de rayos X y la microscopía electrónica de transmisión , pueden tener dificultades para distinguir estructuras amorfas y cristalinas en escalas de tamaño cortas. [13]
Debido a la falta de orden de largo alcance, las técnicas cristalográficas estándar suelen ser inadecuadas para determinar la estructura de los sólidos amorfos. [14] Se han utilizado diversas técnicas basadas en electrones, rayos X y computación para caracterizar materiales amorfos. El análisis multimodal es muy común para materiales amorfos.
A diferencia de los materiales cristalinos que exhiben una fuerte difracción de Bragg , los patrones de difracción de los materiales amorfos se caracterizan por picos amplios y difusos. [15] Como resultado, se requieren análisis detallados y técnicas complementarias para extraer información estructural espacial real de los patrones de difracción de materiales amorfos. Es útil obtener datos de difracción tanto de fuentes de rayos X como de neutrones, ya que tienen diferentes propiedades de dispersión y brindan datos complementarios. [16] El análisis de la función de distribución de pares se puede realizar en datos de difracción para determinar la probabilidad de encontrar un par de átomos separados por una cierta distancia. [15] Otro tipo de análisis que se realiza con datos de difracción de materiales amorfos es el análisis de la función de distribución radial, que mide la cantidad de átomos encontrados a distancias radiales variables de un átomo de referencia arbitrario. [17] A partir de estas técnicas, se puede dilucidar el orden local de un material amorfo.
La espectroscopia de estructura fina por absorción de rayos X es una sonda a escala atómica que la hace útil para estudiar materiales que carecen de orden de largo alcance. Los espectros obtenidos mediante este método proporcionan información sobre el estado de oxidación , el número de coordinación y las especies que rodean al átomo en cuestión, así como las distancias a las que se encuentran. [18]
La técnica de tomografía electrónica atómica se realiza en microscopios electrónicos de transmisión capaces de alcanzar una resolución sub-Angstrom. Se adquiere una colección de imágenes 2D tomadas en numerosos ángulos de inclinación diferentes de la muestra en cuestión y luego se utiliza para reconstruir una imagen 3D. [19] Después de la adquisición de la imagen, se debe realizar una cantidad significativa de procesamiento para corregir problemas como la deriva, el ruido y la distorsión del escaneo. [19] El análisis y procesamiento de alta calidad mediante tomografía electrónica atómica da como resultado una reconstrucción 3D de un material amorfo que detalla las posiciones atómicas de las diferentes especies presentes.
La microscopía electrónica de fluctuación es otra técnica basada en la microscopía electrónica de transmisión que es sensible al orden de rango medio de los materiales amorfos. Con este método se pueden detectar fluctuaciones estructurales que surgen de diferentes formas de orden de rango medio. [20] Los experimentos de microscopía electrónica de fluctuación se pueden realizar en modo de microscopio electrónico de transmisión convencional o de barrido . [20]
Las técnicas de simulación y modelado se combinan a menudo con métodos experimentales para caracterizar las estructuras de materiales amorfos. Las técnicas computacionales más utilizadas incluyen la teoría funcional de la densidad , la dinámica molecular y el método Monte Carlo inverso . [14]
Las fases amorfas son componentes importantes de las películas delgadas . Las películas delgadas son capas sólidas de unos pocos nanómetros a decenas de micrómetros de espesor que se depositan sobre un sustrato. Los llamados modelos de zona de estructura se desarrollaron para describir la microestructura de las películas delgadas en función de la temperatura homóloga ( T h ), que es la relación entre la temperatura de deposición y la temperatura de fusión. [21] [22] Según estos modelos, una condición necesaria para la aparición de fases amorfas es que ( T h ) debe ser menor que 0,3. La temperatura de deposición debe ser inferior al 30% de la temperatura de fusión. [b] [ cita requerida ]
En cuanto a sus aplicaciones, las capas metálicas amorfas desempeñaron un papel importante en el descubrimiento de la superconductividad en metales amorfos realizado por Buckel y Hilsch. [23] [24] Ahora se entiende que la superconductividad de los metales amorfos, incluidas las películas delgadas metálicas amorfas, se debe al apareamiento de Cooper mediado por fonones . El papel del desorden estructural se puede racionalizar basándose en la teoría de superconductividad de Eliashberg de acoplamiento fuerte. [25]
Los sólidos amorfos suelen presentar una mayor localización de los portadores de calor en comparación con los cristalinos, lo que da lugar a una baja conductividad térmica. [26] Los productos para protección térmica, como los revestimientos de barrera térmica y el aislamiento, se basan en materiales con una conductividad térmica ultrabaja. [26]
En la actualidad, los recubrimientos ópticos fabricados a partir de TiO 2 , SiO 2 , Ta 2 O 5 etc. (y combinaciones de estos) en la mayoría de los casos consisten en fases amorfas de estos compuestos. Se han llevado a cabo muchas investigaciones sobre películas amorfas delgadas como capa de membrana separadora de gases . [27] La película amorfa delgada tecnológicamente más importante probablemente esté representada por unas capas delgadas de SiO 2 de unos pocos nm que sirven como aislador sobre el canal conductor de un transistor de efecto de campo semiconductor de óxido metálico (MOSFET). Además, el silicio amorfo hidrogenado (Si:H) es de importancia técnica para las células solares de película delgada . [c] [28]
En la industria farmacéutica , se ha demostrado que algunos fármacos amorfos ofrecen una biodisponibilidad mayor que sus contrapartes cristalinas como resultado de la mayor solubilidad de la fase amorfa. Sin embargo, ciertos compuestos pueden experimentar precipitación en su forma amorfa in vivo y luego pueden disminuir la biodisponibilidad mutua si se administran juntos. [29] [30]
Los materiales amorfos en el suelo influyen fuertemente en la densidad aparente , la estabilidad de los agregados , la plasticidad y la capacidad de retención de agua de los suelos. La baja densidad aparente y las altas proporciones de huecos se deben principalmente a que los fragmentos de vidrio y otros minerales porosos no se compactan . Los suelos Andisol contienen las mayores cantidades de materiales amorfos. [31]
La aparición de fases amorfas resultó ser un fenómeno de particular interés para el estudio del crecimiento de películas delgadas. [32] El crecimiento de películas policristalinas se utiliza a menudo y está precedido por una capa amorfa inicial, cuyo espesor puede ascender a sólo unos pocos nm. El ejemplo más investigado está representado por las moléculas no orientadas de películas delgadas de silicio policristalino. [d] [33] Los policristales en forma de cuña se identificaron mediante microscopía electrónica de transmisión como creciendo a partir de la fase amorfa sólo después de que esta última haya superado un cierto espesor, cuyo valor preciso depende de la temperatura de deposición, la presión de fondo y varios otros parámetros del proceso. El fenómeno se ha interpretado en el marco de la regla de etapas de Ostwald [34] que predice la formación de fases para proceder con el aumento del tiempo de condensación hacia una estabilidad creciente. [24] [33] [e]
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