Un cristal o sólido cristalino es un material sólido cuyos constituyentes (como átomos , moléculas o iones ) están dispuestos en una estructura microscópica muy ordenada, formando una red cristalina que se extiende en todas direcciones. [1] [2] Además, los monocristales macroscópicos suelen ser identificables por su forma geométrica , que consiste en caras planas con orientaciones específicas y características. El estudio científico de los cristales y su formación se conoce como cristalografía . El proceso de formación de cristales mediante mecanismos de crecimiento cristalino se denomina cristalización o solidificación .
La palabra cristal deriva de la palabra griega antigua κρύσταλλος ( krustallos ), que significa tanto " hielo " como " cristal de roca ", [3] de κρύος ( kruos ), "gélido, escarcha". [4] [5]
Ejemplos de cristales grandes incluyen copos de nieve , diamantes y sal de mesa . La mayoría de los sólidos inorgánicos no son cristales sino policristales , es decir, muchos cristales microscópicos fusionados en un solo sólido. Los policristales incluyen la mayoría de los metales , rocas, cerámicas y hielo . Una tercera categoría de sólidos son los sólidos amorfos , donde los átomos no tienen estructura periódica alguna. Ejemplos de sólidos amorfos incluyen vidrio , cera y muchos plásticos .
A pesar del nombre, el cristal de plomo, el cristal y productos relacionados no son cristales, sino tipos de vidrio, es decir, sólidos amorfos.
Los cristales, o sólidos cristalinos, se utilizan a menudo en prácticas pseudocientíficas como la cristaloterapia y, junto con las piedras preciosas , a veces se asocian con hechizos en las creencias wiccanas y movimientos religiosos relacionados. [6] [7] [8]
La definición científica de "cristal" se basa en la disposición microscópica de los átomos en su interior, llamada estructura cristalina . Un cristal es un sólido donde los átomos forman una disposición periódica. ( Los cuasicristales son una excepción, ver más abajo).
No todos los sólidos son cristales. Por ejemplo, cuando el agua líquida comienza a congelarse, el cambio de fase comienza con pequeños cristales de hielo que crecen hasta fusionarse formando una estructura policristalina . En el bloque final de hielo, cada uno de los pequeños cristales (llamados " cristalitos " o "granos") es un verdadero cristal con una disposición periódica de los átomos, pero el policristal completo no tiene una disposición periódica de los átomos, porque el patrón periódico se rompe en los límites de los granos . La mayoría de los sólidos inorgánicos macroscópicos son policristalinos, incluyendo casi todos los metales , cerámicas , hielo , rocas , etc. Los sólidos que no son ni cristalinos ni policristalinos, como el vidrio , se denominan sólidos amorfos , también llamados vítreos , vítreos o no cristalinos. Estos no tienen ningún orden periódico, ni siquiera microscópicamente. Existen claras diferencias entre los sólidos cristalinos y los sólidos amorfos: en particular, el proceso de formación de un vidrio no libera el calor latente de fusión , pero la formación de un cristal sí.
Una estructura cristalina (una disposición de los átomos en un cristal) se caracteriza por su celda unitaria , una pequeña caja imaginaria que contiene uno o más átomos en una disposición espacial específica. Las celdas unitarias se apilan en un espacio tridimensional para formar el cristal.
La simetría de un cristal está limitada por el requisito de que las celdas unitarias se apilen perfectamente sin espacios. Hay 219 posibles simetrías cristalinas (comúnmente se cita 230, pero esto trata a los equivalentes quirales como entidades separadas), llamados grupos espaciales cristalográficos . [9] Estos se agrupan en 7 sistemas cristalinos , como el sistema cristalino cúbico (donde los cristales pueden formar cubos o cajas rectangulares, como la halita que se muestra a la derecha) o el sistema cristalino hexagonal (donde los cristales pueden formar hexágonos, como el agua ordinaria). hielo ).
Los cristales se reconocen comúnmente, macroscópicamente, por su forma, que consiste en caras planas con ángulos agudos. Estas características de forma no son necesarias para un cristal (un cristal se define científicamente por su disposición atómica microscópica, no por su forma macroscópica), pero la forma macroscópica característica suele estar presente y es fácil de ver.
Los cristales euédricos son aquellos que tienen caras planas evidentes y bien formadas. Los cristales anédricos no lo hacen, generalmente porque el cristal es un grano en un sólido policristalino.
Las caras planas (también llamadas facetas ) de un cristal euhédrico están orientadas de una manera específica con respecto a la disposición atómica subyacente del cristal : son planos de índice de Miller relativamente bajo . [10] Esto ocurre porque algunas orientaciones de la superficie son más estables que otras (menor energía superficial ). A medida que un cristal crece, los nuevos átomos se adhieren fácilmente a las partes más rugosas y menos estables de la superficie, pero menos fácilmente a las superficies planas y estables. Por lo tanto, las superficies planas tienden a hacerse más grandes y más suaves, hasta que toda la superficie del cristal está formada por estas superficies planas. (Ver diagrama a la derecha).
Una de las técnicas más antiguas de la ciencia de la cristalografía consiste en medir las orientaciones tridimensionales de las caras de un cristal y utilizarlas para inferir la simetría del cristal subyacente .
Las formas cristalográficas de un cristal son conjuntos de posibles caras del cristal que están relacionadas por una de las simetrías del cristal. Por ejemplo, los cristales de galena suelen adoptar la forma de cubos, y las seis caras del cubo pertenecen a una forma cristalográfica que muestra una de las simetrías del sistema cristalino isométrico . Galena también cristaliza a veces como octaedros, y las ocho caras del octaedro pertenecen a otra forma cristalográfica que refleja una simetría diferente del sistema isométrico. Una forma cristalográfica se describe colocando entre paréntesis los índices de Miller de una de sus caras. Por ejemplo, la forma octaédrica se escribe como {111} y las otras caras de la forma están implícitas en la simetría del cristal.
Las formas pueden ser cerradas, lo que significa que la forma puede encerrar completamente un volumen de espacio, o abiertas, lo que significa que no puede. Las formas cúbica y octaédrica son ejemplos de formas cerradas. Todas las formas del sistema isométrico son cerradas, mientras que todas las formas de los sistemas cristalinos monoclínicos y triclínicos son abiertas. Todas las caras de un cristal pueden pertenecer a la misma forma cerrada o pueden ser una combinación de múltiples formas abiertas o cerradas. [11]
El hábito de un cristal es su forma externa visible. Esto está determinado por la estructura cristalina (que restringe las posibles orientaciones de las facetas), la química y el enlace específicos del cristal (que pueden favorecer algunos tipos de facetas sobre otros) y las condiciones bajo las cuales se formó el cristal.
Por volumen y peso, las mayores concentraciones de cristales de la Tierra forman parte de su lecho rocoso sólido . Los cristales que se encuentran en las rocas suelen variar en tamaño desde una fracción de milímetro hasta varios centímetros de diámetro, aunque ocasionalmente se encuentran cristales excepcionalmente grandes. En 1999 [actualizar], el cristal natural más grande conocido del mundo es un cristal de berilo de Malakialina, Madagascar , de 18 m (59 pies) de largo y 3,5 m (11 pies) de diámetro, y con un peso de 380.000 kg (840.000 lb). [12]
Algunos cristales se han formado por procesos magmáticos y metamórficos , dando origen a grandes masas de roca cristalina . La gran mayoría de las rocas ígneas se forman a partir de magma fundido y el grado de cristalización depende principalmente de las condiciones en las que se solidificaron. Rocas como el granito , que se han enfriado muy lentamente y bajo grandes presiones, han cristalizado por completo; pero muchas clases de lava se derramaron sobre la superficie y se enfriaron muy rápidamente, y en este último grupo es común una pequeña cantidad de materia amorfa o vítrea . Otras rocas cristalinas, las rocas metamórficas como los mármoles , los micaesquistos y las cuarcitas , se recristalizan. Esto significa que en un principio fueron rocas fragmentarias como calizas , lutitas y areniscas y nunca han estado en estado fundido ni completamente en solución, pero las condiciones de alta temperatura y presión del metamorfismo han actuado sobre ellas borrando sus estructuras originales e induciendo la recristalización en el estado solido. [13]
Otros cristales de roca se han formado a partir de la precipitación de fluidos, comúnmente agua, para formar drusas o vetas de cuarzo . Evaporitas como halita , yeso y algunas calizas se han depositado a partir de soluciones acuosas, principalmente debido a la evaporación en climas áridos.
El hielo a base de agua en forma de nieve , hielo marino y glaciares son estructuras cristalinas/policristalinas comunes en la Tierra y otros planetas. [14] Un solo copo de nieve es un solo cristal o una colección de cristales, [15] mientras que un cubo de hielo es un policristal . [16] Los cristales de hielo se pueden formar al enfriar agua líquida por debajo de su punto de congelación, como cubitos de hielo o un lago congelado. La escarcha , los copos de nieve o los pequeños cristales de hielo suspendidos en el aire ( niebla helada ) suelen surgir de una solución gaseosa sobresaturada de vapor de agua y aire, cuando la temperatura del aire desciende por debajo de su punto de rocío , sin pasar por un estado líquido. Otra propiedad inusual del agua es que se expande en lugar de contraerse cuando cristaliza. [17]
Muchos organismos vivos son capaces de producir cristales que crecen a partir de una solución acuosa , por ejemplo, calcita y aragonito en el caso de la mayoría de los moluscos o hidroxiapatita en el caso de huesos y dientes de los vertebrados .
El mismo grupo de átomos a menudo puede solidificarse de muchas maneras diferentes. El polimorfismo es la capacidad de un sólido de existir en más de una forma cristalina. Por ejemplo, el hielo de agua se encuentra normalmente en la forma hexagonal Hielo I h , pero también puede existir como Hielo cúbico I c , Hielo romboédrico II y muchas otras formas. Los diferentes polimorfos suelen denominarse fases diferentes .
Además, los mismos átomos pueden ser capaces de formar fases no cristalinas . Por ejemplo, el agua también puede formar hielo amorfo , mientras que el SiO 2 puede formar tanto sílice fundida (un vidrio amorfo) como cuarzo (un cristal). Asimismo, si una sustancia puede formar cristales, también puede formar policristales.
Para los elementos químicos puros, el polimorfismo se conoce como alotropía . Por ejemplo, el diamante y el grafito son dos formas cristalinas de carbono , mientras que el carbono amorfo es una forma no cristalina. Los polimorfos, a pesar de tener los mismos átomos, pueden tener propiedades muy diferentes. Por ejemplo, el diamante es la sustancia más dura que se conoce, mientras que el grafito es tan blando que se utiliza como lubricante. El chocolate puede formar seis tipos diferentes de cristales, pero sólo uno tiene la dureza y el punto de fusión adecuados para barras de caramelo y dulces. El polimorfismo en el acero es el responsable de su capacidad para ser tratado térmicamente , otorgándole una amplia gama de propiedades.
El poliamorfismo es un fenómeno similar en el que los mismos átomos pueden existir en más de una forma sólida amorfa .
La cristalización es el proceso de formar una estructura cristalina a partir de un fluido o de materiales disueltos en un fluido. (Más raramente, los cristales pueden depositarse directamente del gas; ver: epitaxia y escarcha ).
La cristalización es un campo complejo y ampliamente estudiado, porque dependiendo de las condiciones, un mismo fluido puede solidificarse en muchas formas posibles diferentes. Puede formar un solo cristal , quizás con varias fases , estequiometrías , impurezas, defectos y hábitos posibles . O puede formar un policristal , con varias posibilidades de tamaño, disposición, orientación y fase de sus granos. La forma final del sólido está determinada por las condiciones bajo las cuales se solidifica el fluido, como la química del fluido, la presión ambiental , la temperatura y la velocidad con la que cambian todos estos parámetros.
Las técnicas industriales específicas para producir monocristales grandes (llamadas bolas ) incluyen el proceso Czochralski y la técnica Bridgman . Se pueden utilizar otros métodos de cristalización menos exóticos, dependiendo de las propiedades físicas de la sustancia, incluida la síntesis hidrotermal , la sublimación o simplemente la cristalización a base de disolventes .
Se pueden crear grandes monocristales mediante procesos geológicos. Por ejemplo, en la Cueva de los Cristales de Naica, México, se encuentran cristales de selenita de más de 10 m . [18] Para más detalles sobre la formación de cristales geológicos, ver arriba.
Los cristales también pueden formarse mediante procesos biológicos, ver arriba. Por el contrario, algunos organismos cuentan con técnicas especiales para evitar que se produzca la cristalización, como las proteínas anticongelantes .
Un cristal ideal tiene cada átomo en un patrón perfecto y que se repite exactamente. [19] Sin embargo, en realidad, la mayoría de los materiales cristalinos tienen una variedad de defectos cristalográficos , lugares donde se interrumpe el patrón del cristal. Los tipos y estructuras de estos defectos pueden tener un efecto profundo en las propiedades de los materiales.
Algunos ejemplos de defectos cristalográficos incluyen defectos de vacancia (un espacio vacío donde debería caber un átomo), defectos intersticiales (un átomo extra apretado donde no cabe) y dislocaciones (ver figura a la derecha). Las dislocaciones son especialmente importantes en la ciencia de los materiales porque ayudan a determinar la resistencia mecánica de los materiales .
Otro tipo común de defecto cristalográfico es una impureza , lo que significa que el tipo de átomo "incorrecto" está presente en un cristal. Por ejemplo, un cristal de diamante perfecto sólo contendría átomos de carbono , pero un cristal real quizás también contendría algunos átomos de boro . Estas impurezas de boro cambian el color del diamante a ligeramente azul. Asimismo, la única diferencia entre rubí y zafiro es el tipo de impurezas presentes en un cristal de corindón .
En los semiconductores , un tipo especial de impureza, llamada dopante , cambia drásticamente las propiedades eléctricas del cristal. Los dispositivos semiconductores , como los transistores , son posibles en gran medida colocando diferentes dopantes semiconductores en diferentes lugares, en patrones específicos.
La macla es un fenómeno a medio camino entre un defecto cristalográfico y un límite de grano . Al igual que un límite de grano, un límite gemelo tiene diferentes orientaciones cristalinas en sus dos lados. Pero a diferencia de un límite de grano, las orientaciones no son aleatorias, sino que están relacionadas de una manera específica, como una imagen especular.
La mosaicidad es una extensión de orientaciones del plano cristalino. Un cristal de mosaico consta de unidades cristalinas más pequeñas que están algo desalineadas entre sí.
En general, los sólidos pueden mantenerse unidos mediante varios tipos de enlaces químicos , como enlaces metálicos , enlaces iónicos , enlaces covalentes , enlaces de van der Waals y otros. Ninguno de estos es necesariamente cristalino o no cristalino. Sin embargo, existen algunas tendencias generales como las siguientes:
Los metales cristalizan rápidamente y casi siempre son policristalinos, aunque hay excepciones como los metales amorfos y los metales monocristalinos. Estos últimos se cultivan sintéticamente; por ejemplo, las turbinas de los aviones de combate generalmente se fabrican haciendo crecer primero un monocristal de aleación de titanio, aumentando su resistencia y punto de fusión sobre el titanio policristalino. Una pequeña pieza de metal puede formarse naturalmente en un solo cristal, como el hierro telúrico tipo 2 , pero las piezas más grandes generalmente no lo hacen a menos que se produzca un enfriamiento extremadamente lento. Por ejemplo, los meteoritos de hierro suelen estar compuestos de un solo cristal o de muchos cristales grandes que pueden tener un tamaño de varios metros, debido al enfriamiento muy lento en el vacío del espacio. El lento enfriamiento puede permitir la precipitación de una fase separada dentro de la red cristalina, que se forma en ángulos específicos determinados por la red, llamados patrones de Widmanstatten . [20]
Los compuestos iónicos normalmente se forman cuando un metal reacciona con un no metal, como el sodio con el cloro. Estos suelen formar sustancias llamadas sales, como el cloruro de sodio (sal de mesa) o el nitrato de potasio ( salitre ), con cristales que suelen ser quebradizos y se escinden con relativa facilidad. Los materiales iónicos suelen ser cristalinos o policristalinos. En la práctica, se pueden crear grandes cristales de sal mediante la solidificación de un fluido fundido o mediante la cristalización en una solución. Algunos compuestos iónicos pueden ser muy duros, como óxidos como el óxido de aluminio que se encuentran en muchas piedras preciosas como el rubí y el zafiro sintético .
Los sólidos unidos covalentemente (a veces llamados sólidos de redes covalentes ) generalmente se forman a partir de uno o más no metales, como carbono o silicio y oxígeno, y suelen ser muy duros, rígidos y quebradizos. Estos también son muy comunes, siendo ejemplos notables el diamante y el cuarzo, respectivamente. [21]
Las fuerzas débiles de Van der Waals también ayudan a mantener unidos ciertos cristales, como los sólidos moleculares cristalinos , así como la unión entre capas en el grafito . Sustancias como las grasas , los lípidos y la cera forman enlaces moleculares porque las moléculas grandes no se compactan tan estrechamente como los enlaces atómicos. Esto da lugar a cristales que son mucho más blandos y más fáciles de separar o romper. Los ejemplos comunes incluyen chocolates, velas o virus. El hielo de agua y el hielo seco son ejemplos de otros materiales con enlaces moleculares. [22] Los materiales poliméricos generalmente forman regiones cristalinas, pero las longitudes de las moléculas generalmente impiden la cristalización completa y, a veces, los polímeros son completamente amorfos.
Un cuasicristal consta de conjuntos de átomos ordenados pero no estrictamente periódicos. Tienen muchos atributos en común con los cristales ordinarios, como mostrar un patrón discreto en la difracción de rayos X y la capacidad de formar formas con caras lisas y planas.
Los cuasicristales son más famosos por su capacidad de mostrar simetría quíntuple, lo cual es imposible para un cristal periódico ordinario (ver teorema de restricción cristalográfica ).
La Unión Internacional de Cristalografía ha redefinido el término "cristal" para incluir tanto cristales periódicos ordinarios como cuasicristales ("cualquier sólido que tenga un diagrama de difracción esencialmente discreto" [23] ).
Los cuasicristales, descubiertos por primera vez en 1982, son bastante raros en la práctica. Se sabe que sólo unos 100 sólidos forman cuasicristales, en comparación con unos 400.000 cristales periódicos conocidos en 2004. [24] El Premio Nobel de Química de 2011 fue otorgado a Dan Shechtman por el descubrimiento de los cuasicristales. [25]
Los cristales pueden tener ciertas propiedades eléctricas, ópticas y mecánicas especiales que el vidrio y los policristales normalmente no tienen. Estas propiedades están relacionadas con la anisotropía del cristal, es decir, la falta de simetría rotacional en su disposición atómica. Una de esas propiedades es el efecto piezoeléctrico , donde un voltaje a través del cristal puede encogerlo o estirarlo. Otra es la birrefringencia , donde aparece una doble imagen al mirar a través de un cristal. Además, varias propiedades de un cristal, incluida la conductividad eléctrica , la permitividad eléctrica y el módulo de Young , pueden ser diferentes en diferentes direcciones en un cristal. Por ejemplo, los cristales de grafito constan de una pila de láminas y, aunque cada lámina individual es mecánicamente muy resistente, las láminas están unidas entre sí de manera bastante suelta. Por tanto, la resistencia mecánica del material es bastante diferente según la dirección de la tensión.
No todos los cristales tienen todas estas propiedades. Por el contrario, estas propiedades no son del todo exclusivas de los cristales. Pueden aparecer en vidrios o policristales que se han vuelto anisotrópicos por trabajo o estrés (por ejemplo, birrefringencia inducida por estrés ).
La cristalografía es la ciencia de medir la estructura cristalina (en otras palabras, la disposición atómica) de un cristal. Una técnica de cristalografía ampliamente utilizada esde rayos X. Un gran número de estructuras cristalinas conocidas se almacenan en bases de datos cristalográficas .
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