Caracterización (ciencia de los materiales)

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A micrograph of bronze revealing a cast dendritic structure
La técnica de caracterización microscopía óptica que muestra la micron escala dendrítica microestructura de una aleación de bronce

Caracterización, cuando se utiliza en la ciencia de los materiales, se refiere al proceso amplio y general mediante el cual se investigan y miden la estructura y las propiedades de un material. Es un proceso fundamental en el campo de la ciencia de los materiales, sin el cual no se podría determinar ningún conocimiento científico de los materiales de ingeniería. El alcance del término suele diferir; algunas definiciones limitan su uso a las técnicas que estudian la estructura y las propiedades microscópicas de los materiales, mientras que otras utilizan el término para referirse a cualquier proceso de análisis de materiales, incluidas las técnicas macroscópicas, como las pruebas mecánicas, el análisis térmico y el cálculo de la densidad. La escala de las estructuras observadas en la caracterización de materiales varía desde angstroms, como en la obtención de imágenes de átomos individuales y enlaces químicos, hasta centímetros, como en la obtención de imágenes de estructuras de grano grueso en metales.

Si bien muchas técnicas de caracterización se han practicado durante siglos, como la microscopía óptica básica, constantemente surgen nuevas técnicas y metodologías. En particular, la aparición del microscopio electrónico y la espectrometría de masas de iones secundarios en el siglo XX ha revolucionado el campo, permitiendo la obtención de imágenes y el análisis de estructuras y composiciones en escalas mucho más pequeñas de lo que era posible anteriormente, lo que ha llevado a un enorme aumento en el nivel de comprensión de por qué diferentes materiales muestran diferentes propiedades y comportamientos. Más recientemente, la microscopía de fuerza atómica ha aumentado aún más la resolución máxima posible para el análisis de ciertas muestras en los últimos 30 años.

Microscopia

Imagen de microscopía óptica de aluminio
Imagen de una superficie de grafito a nivel atómico obtenida por un STM

La microscopía es una categoría de técnicas de caracterización que exploran y mapean la estructura superficial y subsuperficial de un material. Estas técnicas pueden utilizar fotones, electrones, iones o sondas físicas en voladizo para recopilar datos sobre la estructura de una muestra en una variedad de escalas de longitud. Algunos ejemplos comunes de técnicas de microscopía incluyen:

  • Microscopía óptica
  • Microscopía de electrones escaneados (SEM)
  • Microscopia electrónica de transmisión (TEM)
  • Microscopia de iones de campo (FIM)
  • Microscopia de sondeo (SPM)
    • Microscopía de la fuerza atómica (AFM)
    • Microscopía de túneles escaneos (STM)
  • Topografía de la difusión de rayos X (XRT)

Espectroscopia

La espectroscopia es una categoría de técnicas de caracterización que utilizan una serie de principios para revelar la composición química, la variación de la composición, la estructura cristalina y las propiedades fotoeléctricas de los materiales. Algunos ejemplos comunes de técnicas de espectroscopia incluyen:

Radiación óptica

  • Espectroscopia visual ultravioleta (UV-vis)
  • Espectroscopía infrarroja de Fourier (FTIR)
  • Termoluminiscencia (TL)
  • Photoluminescence (PL)

Rayos X

Primera vista de difusión de rayos X de suelo marciano - El análisis CheMin revela feldspar, piroxenas, olivina y más (Rocknest, 17 de octubre de 2012).
Difracción de polvo de rayos X de Y2Cu2O5 y refinamiento Rietveld con dos fases, mostrando 1% de impureza de óxido de ytrio (grietas rojas)
  • Difracción de rayos X (XRD)
  • Dispersión de rayos X de pequeño ángulo (SAXS)
  • Espectroscopia de rayos X dispersiva (EDX, EDS)
  • Wavelength dispersive X-ray spectroscopy (WDX, WDS)
  • Electron energy loss spectroscopy (EELS)
  • espectroscopia fotoelectrónica de rayos X (XPS)
  • Extroscopia de electrones (AES)
  • espectroscopia de correlación de fotones de rayos X (XPCS)

Espectrometría masiva

  • Modos de espectrometría de masas:
    • Electron ionization (EI)
    • Espectrometría de masas de ionización térmica (TI-MS)
    • MALDI-TOF
  • Espectrometría de masa de ión secundaria (SIMS)

Espectroscopia nuclear

PAC probiendo la estructura local utilizando núcleos radiactivos. Desde el patrón se obtienen gradientes de campo eléctrico que resuelven la estructura alrededor del átomo radiactivo, para estudiar transiciones de fase, defectos, difusión.
  • espectroscopia de resonancia magnética nuclear (NMR)
  • Mössbauer spectroscopy (MBS)
  • Correlación angular perturbida (PAC)

Otros

  • Foton correlation spectroscopy/Dynamic light disperseing (DLS)
  • Terahertz spectroscopy (THz)
  • Electron paramagnetic/spin resonance (EPR, ESR)
  • Dispersión de neutrones de pequeño ángulo (SANS)
  • Rutherford backscattering spectrometry (RBS)
  • Espectroscopia acústica resuelta espacialmente (SRAS)

Pruebas macroscópicas

Se utiliza una amplia gama de técnicas para caracterizar diversas propiedades macroscópicas de los materiales, entre ellas:

  • Pruebas mecánicas, incluyendo pruebas de tracción, compresión, torsional, crep, fatiga, dureza y dureza
  • Análisis térmico diferencial (DTA)
  • Análisis térmico dieléctrico (DEA, DETA)
  • Análisis termogravimétrico (TGA)
  • Calometría de escaneo diferencial (DSC)
  • Técnica de excitación impulsiva (IET)
  • Técnicas de ultrasonido, incluyendo espectroscopia resonante de ultrasonido y métodos de prueba ultrasónicos de dominio del tiempo
a) índices refractivos eficaces y b) coeficientes de absorción de circuitos integrados obtenidos mediante espectroscopia de terahertz

Véase también

  • Química analítica
  • Química Instrumental
  • Técnicas de caracterización semiconductor
  • Caracterización de los bonos
  • Caracterización polímero
  • Lipid bilayer characterization
  • Lignin caracterizaization
  • Caracterización de las nanopartículas
  • MEMS para caracterización mecánica in situ

Referencias

  1. ^ Kumar, Sam Zhang, Lin Li, Ashok (2009). Materials characterization techniques. Boca Raton: CRC Prensa. ISBN 978-1420042948.{{cite book}}: CS1 maint: múltiples nombres: lista de autores (link)
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