Química de materiales

La química del estado sólido, también denominada a veces química de materiales, es el estudio de la síntesis, la estructura y las propiedades de los materiales en fase sólida, en particular, pero no necesariamente de forma exclusiva, de los sólidos no moleculares. Por lo tanto, tiene una fuerte superposición con la física del estado sólido, la mineralogía, la cristalografía, la cerámica, la metalurgia, la termodinámica, la ciencia de los materiales y la electrónica con un enfoque en la síntesis de nuevos materiales y su caracterización. Los sólidos se pueden clasificar como cristalinos o amorfos según la naturaleza del orden presente en la disposición de sus partículas constituyentes.

Historia

Debido a su relevancia directa para los productos comerciales, la química inorgánica de estado sólido ha sido fuertemente impulsada por la tecnología. El progreso en el campo a menudo ha sido impulsado por las demandas de la industria, a veces en colaboración con la academia.Las aplicaciones descubiertas en el siglo XX incluyen catalizadores a base de zeolita y platino para el procesamiento de petróleo en la década de 1950, silicio de alta pureza como componente central de dispositivos microelectrónicos en la década de 1960 y superconductividad de "alta temperatura" en la década de 1980. La invención de la cristalografía de rayos X a principios del siglo XX por William Lawrence Bragg fue una innovación propiciatoria. Nuestra comprensión de cómo proceden las reacciones a nivel atómico en el estado sólido avanzó considerablemente gracias al trabajo de Carl Wagner sobre la teoría de la tasa de oxidación, la contradifusión de iones y la química de defectos. Debido a sus contribuciones, a veces se le ha llamado el padre de la química del estado sólido.

Métodos sintéticos

Dada la diversidad de compuestos en estado sólido, se utiliza una gama igualmente diversa de métodos para su preparación.

Técnicas de horno

Para materiales térmicamente robustos, a menudo se emplean métodos de alta temperatura. Por ejemplo, los sólidos a granel se preparan utilizando hornos tubulares, que permiten que las reacciones se lleven a cabo hasta aprox. 1100 °C. Los equipos especiales, por ejemplo, los hornos que consisten en un tubo de tantalio a través del cual pasa una corriente eléctrica, se pueden usar para temperaturas aún más altas de hasta 2000 °C. A veces se requieren temperaturas tan altas para inducir la difusión de los reactivos.

Métodos de fusión

Un método empleado a menudo es fundir los reactivos juntos y luego recocer el fundido solidificado. Si están involucrados reactivos volátiles, los reactivos a menudo se colocan en una ampolla que se vacía de la mezcla.

El fondo de la ampolla se mantiene en nitrógeno líquido y luego se sella. A continuación, la ampolla sellada se introduce en un horno y se somete a un determinado tratamiento térmico. En presencia del fundente fundido, ciertos granos pueden crecer rápidamente dentro de una matriz de cristalitos más finos. Esto produce un crecimiento de grano anormal (AGG), que puede ser deseado o no, en el sólido producido.

Métodos de solución

Es posible utilizar disolventes para preparar sólidos por precipitación o por evaporación. A veces, el solvente se usa como un hidrotermal que está bajo presión a temperaturas superiores al punto de ebullición normal. Una variación de este tema es el uso de métodos de flujo, donde se agrega una sal de punto de fusión relativamente bajo a la mezcla para que actúe como un solvente de alta temperatura en el que puede tener lugar la reacción deseada. Esto puede ser muy útil

Reacciones de gases

Muchos sólidos reaccionan vigorosamente con especies de gases reactivos como cloro, yodo, oxígeno, etc. Otros forman aductos con otros gases, por ejemplo, CO o etileno. Tales reacciones a menudo se llevan a cabo en tubos abiertos por ambos lados ya través de los cuales pasan los gases. Una variación de esto es dejar que la reacción tenga lugar dentro de un dispositivo de medición como un TGA. En ese caso se puede obtener información estequiométrica durante la reacción, lo que ayuda a identificar los productos.

Las reacciones de transporte químico se utilizan para purificar y hacer crecer cristales de materiales. El proceso a menudo se lleva a cabo en una ampolla sellada. El proceso de transporte implica la adición de una pequeña cantidad de un agente de transporte, por ejemplo, yodo, que genera una especie intermedia volátil que migra (transporta). A continuación, la ampolla se coloca en un horno con dos zonas de temperatura.

La deposición química de vapor es un método ampliamente empleado para la preparación de recubrimientos y semiconductores a partir de precursores moleculares.

Caracterización

Nuevas fases, diagramas de fase, estructuras

La metodología sintética y la caracterización a menudo van de la mano en el sentido de que no se prepara una, sino una serie de mezclas de reacción y se someten a tratamiento térmico. La estequiometría suele variarde manera sistemática para encontrar qué estequiometrías conducirán a nuevos compuestos sólidos oa soluciones sólidas entre los conocidos. Un método principal para caracterizar los productos de reacción es la difracción de polvo, porque muchas reacciones en estado sólido producirán lingotes o polvos policristalinos. La difracción de polvo facilita la identificación de fases conocidas en la mezcla. Si se encuentra un patrón que no se conoce en las bibliotecas de datos de difracción, se puede intentar indexar el patrón, es decir, identificar la simetría y el tamaño de la celda unitaria. (Si el producto no es cristalino, la caracterización suele ser mucho más difícil).

Una vez que se conoce la celda unitaria de una nueva fase, el siguiente paso es establecer la estequiometría de la fase. Esto se puede hacer de varias maneras. A veces la composición de la mezcla original dará una pista,

si solo se encuentra un producto -un solo patrón de polvo- o si uno estaba tratando de hacer una fase de cierta composición por analogía con materiales conocidos pero esto es raro. A menudo, se requiere un esfuerzo considerable para refinar la metodología sintética para obtener una muestra pura del nuevo material. Si es posible separar el producto del resto de la mezcla de reacción, se puede utilizar el análisis elemental. Otra forma implica SEM y la generación de rayos X característicos en el haz de electrones. La difracción de rayos X también se utiliza debido a sus capacidades de generación de imágenes y la velocidad de generación de datos.

Esto último a menudo requiere revisar y refinar los procedimientos preparativos y eso está relacionado con la cuestión de qué fases son estables en qué composición y qué estequiometría. En otras palabras, cómo se ve el diagrama de fase. Una herramienta importante para establecer esto son las técnicas de análisis térmico como DSC o DTA y, cada vez más, debido a la llegada de los sincrotrones, la difracción de polvo dependiente de la temperatura. Un mayor conocimiento de las relaciones de fase a menudo conduce a una mayor

refinamiento en procedimientos sintéticos de forma iterativa. Las nuevas fases se caracterizan así por sus puntos de fusión y sus dominios estequiométricos. Este último es importante para muchos sólidos que son compuestos no estequiométricos. Los parámetros de celda obtenidos de XRD son particularmente útiles para caracterizar los rangos de homogeneidad de este último.

Estructura local

En contraste con las grandes estructuras de los cristales, la estructura local describe la interacción de los átomos vecinos más cercanos. Los métodos de espectroscopia nuclear utilizan núcleos específicos para sondear los campos eléctricos y magnéticos alrededor del núcleo. Por ejemplo, los gradientes de campo eléctrico son muy sensibles a los pequeños cambios causados ​​por la expansión/compresión de la red (térmica o de presión), cambios de fase o defectos locales. Los métodos comunes son la espectroscopia de Mössbauer y la correlación angular perturbada.

Caracterización adicional

En muchos casos, los nuevos compuestos sólidos se caracterizan además por una variedad de técnicas que se extienden a ambos lados de la delgada línea que separa la química del estado sólido de la física del estado sólido. Ver Caracterización en ciencia de materiales.

Propiedades ópticas

Para materiales no metálicos, a menudo es posible obtener espectros UV/VIS. En el caso de los semiconductores eso dará una idea de la banda prohibida.