Un cristal o sólido cristalino es un material sólido cuyos constituyentes (como átomos , moléculas o iones ) están dispuestos en una estructura microscópica altamente ordenada, formando una red cristalina que se extiende en todas las direcciones. [1] [2] Además, los monocristales macroscópicos suelen identificarse por su forma geométrica , que consiste en caras planas con orientaciones características específicas. El estudio científico de los cristales y la formación de cristales se conoce como cristalografía . El proceso de formación de cristales a través de mecanismos de crecimiento de cristales se llama 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]
Entre los ejemplos de cristales grandes se incluyen los copos de nieve , los diamantes y la sal de mesa . La mayoría de los sólidos inorgánicos no son cristales, sino policristales , es decir, muchos cristales microscópicos fusionados para formar un solo sólido. Los policristales incluyen la mayoría de los metales , las rocas, la cerámica y el hielo . Una tercera categoría de sólidos son los sólidos amorfos , en los que los átomos no tienen ninguna estructura periódica. Entre los ejemplos de sólidos amorfos se incluyen el vidrio , la cera y muchos plásticos .
A pesar del nombre, el cristal de plomo, el vidrio cristal y los productos relacionados no son cristales, sino más bien tipos de vidrio, es decir, sólidos amorfos.
Los cristales, o sólidos cristalinos, se utilizan a menudo en prácticas pseudocientíficas como la terapia con cristales 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 un "cristal" se basa en la disposición microscópica de los átomos en su interior, llamada estructura cristalina . Un cristal es un sólido en el que los átomos forman una disposición periódica. ( Los cuasicristales son una excepción, véase 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 átomos, pero el policristal completo no tiene una disposición periódica de átomos, porque el patrón periódico se rompe en los límites de grano . La mayoría de los sólidos inorgánicos macroscópicos son policristalinos, incluidos 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 un orden periódico, ni siquiera microscópicamente. Existen diferencias distintivas entre los sólidos cristalinos y los sólidos amorfos: lo más notable es que 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 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 (230 es comúnmente citado, pero esto trata a los equivalentes quirales como entidades separadas), llamadas 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 hielo de agua común ).
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 a menudo está presente y es fácil de ver.
Los cristales euédricos son aquellos que tienen caras planas bien formadas y evidentes. Los cristales anédricos no las tienen, generalmente porque el cristal es un grano en un sólido policristalino.
Las caras planas (también llamadas facetas ) de un cristal euhedral están orientadas de una manera específica en relación con 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, nuevos átomos se adhieren fácilmente a las partes más ásperas y menos estables de la superficie, pero con menos facilidad a las superficies planas y estables. Por lo tanto, las superficies planas tienden a crecer más grandes y más lisas, hasta que toda la superficie del cristal consiste en estas superficies planas. (Véase el diagrama de 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 cristalina 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 a menudo toman 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 . La 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 los índices de Miller de una de sus caras entre corchetes. 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, es decir, que pueden encerrar por completo un volumen de espacio, o abiertas, es decir, que no pueden. Las formas cúbicas y octaédricas 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. Las caras de un cristal pueden pertenecer todas 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 los enlaces específicos del cristal (que pueden favorecer algunos tipos de facetas en lugar de otros) y las condiciones en las que se formó el cristal.
En términos de volumen y peso, las mayores concentraciones de cristales en la Tierra forman parte de su lecho rocoso sólido . Los cristales que se encuentran en las rocas suelen tener un tamaño que va desde una fracción de milímetro hasta varios centímetros de ancho, aunque ocasionalmente se encuentran cristales excepcionalmente grandes. En 1999 [actualizar], el cristal natural más grande conocido en el mundo era un cristal de berilo de Malakialina, Madagascar , de 18 m (59 pies) de largo y 3,5 m (11 pies) de diámetro, y 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 completamente; pero muchos tipos de lava se derramaron en 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 , son recristalizadas. Esto significa que en un principio fueron rocas fragmentarias como la caliza , el esquisto y la arenisca y nunca han estado en estado fundido ni completamente en solución, pero las altas condiciones de temperatura y presión del metamorfismo han actuado sobre ellas borrando sus estructuras originales e induciendo la recristalización en estado sólido. [13]
Otros cristales de roca se han formado a partir de la precipitación de fluidos, generalmente agua, para formar drusas o vetas de cuarzo . Las evaporitas, como la halita , el 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 pueden formarse 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 de hielo ) crecen con mayor frecuencia a partir de una solución gaseosa sobresaturada de vapor de agua y aire, cuando la temperatura del aire cae 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 cultivados a partir de una solución acuosa , por ejemplo, calcita y aragonita en el caso de la mayoría de los moluscos o hidroxiapatita en el caso de los huesos y dientes de los vertebrados .
El mismo grupo de átomos puede solidificarse de muchas formas 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 habitualmente en la forma hexagonal Ice I h , pero también puede existir como la forma cúbica Ice I c , la forma romboédrica Ice II y muchas otras formas. Los diferentes polimorfos suelen denominarse fases diferentes .
Además, los mismos átomos pueden formar fases no cristalinas . Por ejemplo, el agua también puede formar hielo amorfo , mientras que el SiO2 puede formar tanto sílice fundida (un vidrio amorfo) como cuarzo (un cristal). Asimismo, si una sustancia puede formar cristales, también puede formar policristales.
En el caso de los elementos químicos puros, el polimorfismo se conoce como alotropía . Por ejemplo, el diamante y el grafito son dos formas cristalinas del 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 solo uno tiene la dureza y el punto de fusión adecuados para las barras de caramelo y los dulces. El polimorfismo en el acero es responsable de su capacidad para ser tratado térmicamente , lo que le otorga 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 formación de una estructura cristalina a partir de un fluido o de materiales disueltos en un fluido. (Más raramente, los cristales pueden depositarse directamente a partir de un gas; véase: epitaxia y escarcha ).
La cristalización es un campo complejo y ampliamente estudiado, porque dependiendo de las condiciones, un solo fluido puede solidificarse en muchas formas posibles diferentes. Puede formar un solo cristal , tal vez con varias fases posibles , estequiometrías , impurezas, defectos y hábitos . 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 (llamados boules ) incluyen el proceso Czochralski y la técnica Bridgman . Se pueden utilizar otros métodos de cristalización menos exóticos, según las propiedades físicas de la sustancia, incluida la síntesis hidrotermal , la sublimación o simplemente la cristalización basada en disolventes .
Los procesos geológicos pueden generar cristales individuales de gran tamaño. Por ejemplo, en la Cueva de los Cristales en Naica, México, se encuentran cristales de selenita de más de 10 μm . [18] Para más detalles sobre la formación de cristales geológicos, véase más arriba.
Los cristales también pueden formarse mediante procesos biológicos, véase más arriba. Por el contrario, algunos organismos tienen técnicas especiales para evitar que se produzca la cristalización, como las proteínas anticongelantes .
Un cristal ideal tiene cada átomo en un patrón perfecto y exactamente repetido. [19] Sin embargo, en la realidad, la mayoría de los materiales cristalinos tienen una variedad de defectos cristalográficos , lugares donde el patrón del cristal se interrumpe. Los tipos y estructuras de estos defectos pueden tener un profundo efecto 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 adicional 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 , es decir, que en un cristal está presente el tipo de átomo "incorrecto". Por ejemplo, un cristal de diamante perfecto solo contendría átomos de carbono , pero un cristal real podría contener también algunos átomos de boro . Estas impurezas de boro cambian el color del diamante a un ligero azul. Asimismo, la única diferencia entre el rubí y el 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 al colocar diferentes dopantes semiconductores en diferentes lugares, en patrones específicos.
El maclado es un fenómeno intermedio entre un defecto cristalográfico y un límite de grano . Al igual que un límite de grano, un límite maclado tiene orientaciones de cristales diferentes 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 si fueran imágenes especulares.
La mosaicidad es una dispersión de orientaciones de planos cristalinos. Un cristal mosaico consta de unidades cristalinas más pequeñas que están algo desalineadas entre sí.
En general, los sólidos pueden mantenerse unidos mediante diversos tipos de enlaces químicos , como enlaces metálicos , enlaces iónicos , enlaces covalentes , enlaces de van der Waals y otros. Ninguno de ellos 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 el metal amorfo y los metales monocristalinos. Estos últimos se cultivan sintéticamente, por ejemplo, las turbinas de los aviones de combate se fabrican típicamente cultivando primero un monocristal de aleación de titanio, lo que aumenta su resistencia y punto de fusión sobre el titanio policristalino. Un pequeño trozo de metal puede formarse naturalmente en un monocristal, como el hierro telúrico de tipo 2 , pero los trozos más grandes generalmente no lo hacen a menos que se produzca un enfriamiento extremadamente lento. Por ejemplo, los meteoritos de hierro a menudo están compuestos de un solo cristal, o de muchos cristales grandes que pueden tener varios metros de tamaño, debido al enfriamiento muy lento en el vacío del espacio. El enfriamiento lento 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 Widmanstätten . [20]
Los compuestos iónicos se forman normalmente 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 frágiles y se rompen 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 a partir de una solución. Algunos compuestos iónicos pueden ser muy duros, como los óxidos como el óxido de aluminio que se encuentra en muchas piedras preciosas como el rubí y el zafiro sintético .
Los sólidos unidos mediante enlaces covalentes (a veces llamados sólidos de red covalente ) suelen estar formados por uno o más no metales, como el carbono o el silicio y el oxígeno, y suelen ser muy duros, rígidos y frágiles. También son muy comunes, siendo ejemplos notables el diamante y el cuarzo respectivamente. [21]
Las fuerzas de van der Waals débiles también ayudan a mantener unidos ciertos cristales, como los sólidos moleculares cristalinos , así como la unión entre capas del grafito . Las sustancias como las grasas , los lípidos y la cera forman enlaces moleculares porque las moléculas grandes no se compactan tan firmemente como los enlaces atómicos. Esto da lugar a cristales mucho más blandos y más fáciles de separar o romper. Algunos ejemplos comunes son los chocolates, las velas o los virus. El hielo de agua y el hielo seco son ejemplos de otros materiales con enlaces moleculares. [22] Los materiales poliméricos generalmente formarán regiones cristalinas, pero las longitudes de las moléculas suelen impedir la cristalización completa y, a veces, los polímeros son completamente amorfos.
Un cuasicristal está formado por conjuntos de átomos ordenados pero no estrictamente periódicos. Tienen muchos atributos en común con los cristales ordinarios, como la presentación de 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 (véase el teorema de restricción cristalográfica ).
La Unión Internacional de Cristalografía ha redefinido el término "cristal" para incluir tanto los cristales periódicos ordinarios como los 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 los aproximadamente 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 pueden. 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 imagen doble cuando se mira 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 consisten en una pila de láminas, y aunque cada lámina individual es mecánicamente muy fuerte, las láminas están unidas entre sí de manera bastante débil. Por lo tanto, la resistencia mecánica del material es bastante diferente según la dirección de la tensión.
No todos los cristales poseen todas estas propiedades. Por el contrario, estas propiedades no son exclusivas de los cristales. Pueden aparecer en vidrios o policristales que se han vuelto anisotrópicos mediante trabajo o estrés (por ejemplo, birrefringencia inducida por estrés) .
La cristalografía es la ciencia que mide la estructura cristalina (en otras palabras, la disposición atómica) de un cristal. Una técnica cristalográfica muy utilizada es la difracción de rayos X. En bases de datos cristalográficas se almacenan grandes cantidades de estructuras cristalinas conocidas.
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