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Paracristalinidad

En la ciencia de los materiales , los materiales paracristalinos se definen como aquellos que tienen un ordenamiento de corto y medio alcance en su red (similar a las fases de cristal líquido ) pero que carecen de un ordenamiento de largo alcance similar al cristal al menos en una dirección. [1]

Origen y definición

Las palabras "paracristalinidad" y "paracristal" fueron acuñadas por Friedrich Rinne en el año 1933. [2] Sus equivalentes alemanes, por ejemplo "Parakristall", aparecieron impresos un año antes. [3] Se formuló una teoría general de los paracristales en un libro de texto básico, [4] y luego varios autores la desarrollaron y refinaron.

La definición de Rolf Hosemann de un paracristal ideal es: "La distribución de la densidad electrónica de cualquier material es equivalente a la de un paracristal cuando existe para cada bloque de construcción un punto ideal, de modo que las estadísticas de distancia a otros puntos ideales son idénticas para todos estos puntos. La configuración electrónica de cada bloque de construcción alrededor de su punto ideal es estadísticamente independiente de su contraparte en los bloques de construcción vecinos. Un bloque de construcción corresponde entonces al contenido material de una celda de esta red espacial "borrosa", que debe considerarse un paracristal". [5]

Teoría

El orden es la regularidad con la que los átomos aparecen en una red predecible, medida desde un punto. En un material perfectamente cristalino y altamente ordenado, o monocristal , la ubicación de cada átomo en la estructura se puede describir con exactitud midiendo desde un único origen. Por el contrario, en una estructura desordenada, como un líquido o un sólido amorfo , la ubicación de los vecinos más cercanos y, quizás, los segundos más cercanos se puede describir desde un origen (con cierto grado de incertidumbre) y la capacidad de predecir ubicaciones disminuye rápidamente a partir de ahí. La distancia a la que se pueden predecir las ubicaciones de los átomos se conoce como longitud de correlación . Un material paracristalino exhibe una correlación en algún punto entre el completamente amorfo y el completamente cristalino.

La fuente principal y más accesible de información sobre la cristalinidad es la difracción de rayos X y la criomicroscopía electrónica [6], aunque pueden necesitarse otras técnicas para observar la estructura compleja de los materiales paracristalinos, como la microscopía electrónica de fluctuación [7] en combinación con el modelado de la densidad de estados [8] de estados electrónicos y vibracionales. La microscopía electrónica de transmisión de barrido puede proporcionar una caracterización en el espacio real y en el espacio recíproco de la paracristalinidad en materiales a escala nanométrica, como los sólidos de puntos cuánticos . [9]

La dispersión de rayos X, neutrones y electrones en paracristales se describe cuantitativamente mediante las teorías del paracristal ideal [10] y real [11] .

Las diferencias numéricas en los análisis de experimentos de difracción basados ​​en cualquiera de estas dos teorías de paracristalinidad a menudo se pueden ignorar. [12]

Al igual que los cristales ideales, los paracristales ideales se extienden teóricamente hasta el infinito. Los paracristales reales, por otra parte, siguen la ley α* empírica [13] , que restringe su tamaño. Ese tamaño también es indirectamente proporcional a los componentes del tensor de la distorsión paracristalina. Los agregados de estado sólido más grandes están compuestos entonces de microparacristales [14] .

Aplicaciones

El modelo paracristalino ha sido útil, por ejemplo, para describir el estado de materiales semiconductores parcialmente amorfos después de la deposición. También se ha aplicado con éxito a polímeros sintéticos, cristales líquidos, biopolímeros, sólidos de puntos cuánticos y biomembranas. [15]

Véase también

Referencias

  1. ^ Voyles, PM; Zotov, N.; Nakhmanson, SM; Drabold, DA; Gibson, JM; Treacy, MMJ; Keblinski, P. (2001). "Estructura y propiedades físicas de modelos atomísticos paracristalinos de silicio amorfo" (PDF) . Journal of Applied Physics . 90 (9): 4437. Bibcode :2001JAP....90.4437V. doi :10.1063/1.1407319.
  2. ^ F. Rinne, Investigaciones y consideraciones sobre la paracristalinidad, Transactions of the Faraday Society 29 (1933) 1016–1032
  3. ^ Rinne, Friedrich (1933). "Investigaciones y consideraciones sobre la paracristalinidad". Transactions of the Faraday Society . 29 (140): 1016. doi :10.1039/TF9332901016.
  4. ^ Hosemann R.; Bagchi RN (1962). Análisis directo de la difracción por materia . Ámsterdam; Nueva York: Holanda Septentrional. OCLC  594302398.
  5. ^ R. Hosemann, Der ideale Parakristall und die von ihm gestreute kohaerente Roentgenstrahlung, Zeitschrift für Physik 128 (1950) 465–492
  6. ^ Berriman, JA; Li, S.; Hewlett, LJ; Wasilewski, S.; Kiskin, FN; Carter, T.; Hannah, MJ; Rosenthal, PB (29 de septiembre de 2009). "Organización estructural de los cuerpos de Weibel-Palade revelada por crio-EM de células endoteliales vitrificadas". Actas de la Academia Nacional de Ciencias . 106 (41): 17407–17412. Bibcode :2009PNAS..10617407B. doi : 10.1073/pnas.0902977106 . PMC 2765093 . PMID  19805028. 
  7. ^ Biswas, Parthapratim; Atta-Fynn, Raymond; Chakraborty, S; Drabold, DA (2007). "Información espacial real a partir de microscopía electrónica de fluctuación: aplicaciones al silicio amorfo". Journal of Physics: Condensed Matter . 19 (45): 455202. arXiv : 0707.4012 . Bibcode :2007JPCM...19S5202B. doi :10.1088/0953-8984/19/45/455202. S2CID  14043098.
  8. ^ Nakhmanson, S.; Voyles, P.; Mousseau, Normand; Barkema, G.; Drabold, D. (2001). "Modelos realistas de silicio paracristalino". Physical Review B . 63 (23): 235207. Bibcode :2001PhRvB..63w5207N. doi :10.1103/PhysRevB.63.235207. hdl : 1874/13925 . S2CID  14485235.
  9. ^ B. Savitzky, R. Hovden, K. Whitham, J. Yang, F. Wise, T. Hanrath y LF Kourkoutis (2016). "Propagación del desorden estructural en sólidos de puntos cuánticos conectados epitaxialmente desde la escala atómica hasta la micrométrica". Nano Letters . 16 (9): 5714–5718. Bibcode :2016NanoL..16.5714S. doi :10.1021/acs.nanolett.6b02382. PMID  27540863.{{cite journal}}: CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
  10. ^ Manguera, Rolf (1950). "Röntgeninterferenzen an Stoffen mit flüssigkeitsstatistischen Gitterstörungen". Zeitschrift für Physik . 128 (1): 1–35. Código Bib : 1950ZPhy..128....1H. doi :10.1007/BF01339555. S2CID  125247872.
  11. ^ R. Hosemann: Grundlagen der Theorie des Parakristalls und ihre Anwendungensmöglichkeiten bei der Untersuchung der Realstruktur kristallliner Stoffe, Kristall und Technik, Band 11, 1976, S. 1139-1151
  12. ^ Hosemann, R.; Vogel, W.; Weick, D.; Baltá-Calleja, FJ (1981). "Aspectos novedosos del paracristal real". Acta Crystallographica Sección A . 37 (1): 85–91. Bibcode :1981AcCrA..37...85H. doi :10.1107/S0567739481000156.
  13. ^ Hosemann, R; Hentschel, MP; Balta-Calleja, FJ; Cabarcos, E Lopez; Hindeleh, AM (1985-02-20). "La constante α*, el estado de equilibrio y los planos de red de cojinetes en polímeros, biopolímeros y catalizadores". Journal of Physics C: Solid State Physics . 18 (5). IOP Publishing: 961–971. doi :10.1088/0022-3719/18/5/004. ISSN  0022-3719. OCLC  4843539431.
  14. ^ Hindeleh, AM; Hosemann, R. (1991). "Microparacristales: La etapa intermedia entre cristalino y amorfo". Revista de Ciencia de Materiales . 26 (19): 5127–5133. Código Bibliográfico :1991JMatS..26.5127H. doi :10.1007/BF01143202. S2CID  135930955.
  15. ^ Baianu IC (1978). "Dispersión de rayos X por sistemas de membrana parcialmente desordenados". Acta Crystallogr. A . 34 (5): 751–753. Código Bibliográfico :1978AcCrA..34..751B. doi :10.1107/S0567739478001540.