Defecto cristalográfico; átomos ubicados en los espacios entre los átomos en la red
Los átomos intersticiales (azul) ocupan algunos de los espacios dentro de una red de átomos más grandes (rojo)
En ciencia de materiales , un defecto intersticial es un tipo de defecto cristalográfico puntual donde un átomo del mismo o de diferente tipo ocupa un sitio intersticial en la estructura cristalina . Cuando el átomo es del mismo tipo que los ya presentes se le conoce como defecto autointersticial . Alternativamente, los átomos pequeños en algunos cristales pueden ocupar sitios intersticiales, como el hidrógeno en el paladio . Los intersticiales se pueden producir bombardeando un cristal con partículas elementales que tengan energía por encima del umbral de desplazamiento para ese cristal, pero también pueden existir en pequeñas concentraciones en equilibrio termodinámico . La presencia de defectos intersticiales puede modificar las propiedades físicas y químicas de un material.
Historia
La idea de los compuestos intersticiales se inició a finales de la década de 1930 y a menudo se les llama fases de Hagg en honor a Hägg. [1] Los metales de transición generalmente cristalizan en estructuras hexagonales compactas o cúbicas centradas en las caras , las cuales pueden considerarse formadas por capas de átomos hexagonales compactos. En estas dos celosías muy similares hay dos tipos de intersticio o agujero:
Dos agujeros tetraédricos por átomo de metal, es decir, el agujero está entre cuatro átomos de metal.
la red metálica no se vio relativamente afectada por el átomo intersticial
la conductividad eléctrica era comparable a la del metal puro
había una variedad de composición
el tipo de intersticio ocupado estaba determinado por el tamaño del átomo
Estos no fueron vistos como compuestos, sino más bien como soluciones, por ejemplo de carbono, en la red metálica, con una “concentración” superior límite del átomo más pequeño que estaba determinada por el número de intersticios disponibles.
Actual
Un conocimiento más detallado de las estructuras de los metales y de las fases binarias y ternarias de los metales y no metales muestra que:
generalmente, en concentraciones bajas del átomo pequeño, la fase puede describirse como una solución, y esto se aproxima a la descripción histórica de un compuesto intersticial anterior.
a concentraciones más altas del átomo pequeño, pueden estar presentes fases con diferentes estructuras reticulares, y éstas pueden tener una variedad de estequiometrías .
Un ejemplo es la solubilidad del carbono en hierro. La forma de hierro puro, estable entre 910 °C y 1390 °C, el hierro γ, forma una solución sólida con carbono denominada austenita , que también se conoce como acero .
Autointersticiales
Los defectos autointersticiales son defectos intersticiales que contienen solo átomos que son iguales a los que ya están presentes en la red.
Estructura del autointersticial en algunos metales comunes. El lado izquierdo de cada tipo de cristal muestra el cristal perfecto y el lado derecho el que tiene un defecto.
La estructura de los defectos intersticiales se ha determinado experimentalmente en algunos metales y semiconductores .
Al contrario de lo que uno podría esperar intuitivamente, la mayoría de los autointersticiales en metales con una estructura conocida tienen una estructura "dividida", en la que dos átomos comparten el mismo sitio de la red. [2] [3] Normalmente, el centro de masa de los dos átomos está en el sitio de la red y están desplazados simétricamente desde él a lo largo de una de las direcciones principales de la red . Por ejemplo, en varios metales cúbicos centrados en las caras (fcc) comunes, como el cobre, el níquel y el platino, la estructura del estado fundamental del autointersticial es la estructura intersticial dividida [100], donde dos átomos se desplazan en sentido positivo y negativo. [100] dirección desde el sitio de la red. En el hierro cúbico centrado en el cuerpo (bcc), la estructura intersticial del estado fundamental es igualmente un intersticial dividido [110].
Estos intersticiales divididos a menudo se denominan intersticiales con mancuernas, porque al trazar los dos átomos que forman el intersticial con dos esferas grandes y una línea gruesa que las une hace que la estructura se parezca a un dispositivo de levantamiento de pesas con mancuernas .
En otros metales bcc además del hierro, se cree que la estructura del estado fundamental, según cálculos recientes de la teoría funcional de la densidad , es la [111] multitud intersticial, [4] que puede entenderse como una cadena larga (normalmente entre 10 y 20) de átomos. a lo largo de la dirección de la red [111], comprimido en comparación con la red perfecta, de modo que la cadena contiene un átomo extra.
Estructura de mancuerna autointersticial en silicio. Tenga en cuenta que la estructura del intersticial en silicio puede depender del estado de carga y del nivel de dopaje del material.
En los semiconductores la situación es más compleja, ya que los defectos pueden estar cargados y diferentes estados de carga pueden tener estructuras diferentes. Por ejemplo, en el silicio, el intersticial puede tener una estructura dividida [110] o una estructura verdaderamente intersticial tetraédrica . [5]
El carbono, especialmente en el grafito y el diamante, tiene una serie de autointersticiales interesantes (descubiertos recientemente mediante cálculos de aproximación de densidad local ). Es el "espirointersticial" del grafito, llamado así en honor al espiropentano , ya que el átomo de carbono intersticial está situado entre dos átomos basales. planos y unidos en una geometría similar al espiropentano. [6]
Intersticiales de impurezas
Los átomos intersticiales de impurezas pequeñas suelen estar en sitios intersticiales verdaderos entre los átomos de la red. Los intersticiales de impurezas grandes también pueden estar en configuraciones intersticiales divididas junto con un átomo reticular, similares a las del átomo autointersticial.
Efectos de los intersticiales
Los intersticiales modifican las propiedades físicas y químicas de los materiales.
Los átomos de carbono intersticiales tienen un papel crucial para las propiedades y el procesamiento de los aceros, en particular los aceros al carbono .
Los intersticiales de impurezas se pueden utilizar, por ejemplo, para el almacenamiento de hidrógeno en metales.
La red cristalina puede expandirse con la concentración de impurezas intersticiales.
La amorfización de semiconductores como el silicio durante la irradiación de iones a menudo se explica por la acumulación de una alta concentración de intersticiales que eventualmente conducen al colapso de la red cuando se vuelve inestable. [7] [8]
La formación de grandes cantidades de intersticiales en un sólido puede provocar una importante acumulación de energía que, al liberarse, puede provocar incluso accidentes graves en determinados tipos antiguos de reactores nucleares ( efecto Wigner ). Los estados de alta energía pueden liberarse mediante recocido .
Al menos en la red fcc, los intersticiales tienen un gran efecto suavizante diaelástico sobre el material. [9]
Se ha propuesto que los intersticiales están relacionados con el inicio de la fusión y la transición vítrea . [10] [11] [12]
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