Sólido amorfo

En la física de la materia condensada y la ciencia de los materiales, un sólido amorfo (o sólido no cristalino) es un sólido que carece del orden de largo alcance característico de un cristal. Los términos "vidrio" y "sólido vidrioso" a veces se usan como sinónimo de sólido amorfo; sin embargo, estos términos se refieren específicamente a materiales amorfos que experimentan una transición vítrea. Los ejemplos de sólidos amorfos incluyen vidrios, vidrios metálicos y ciertos tipos de plásticos y polímeros.

Etimología

El término proviene del griego a ("sin"), y morphé ("forma, forma").

Estructura

Cristalina vs. sólido amorfo

Los materiales amorfos tienen una estructura interna que consta de bloques estructurales interconectados que pueden ser similares a las unidades estructurales básicas que se encuentran en la fase cristalina correspondiente del mismo compuesto. Sin embargo, a diferencia de los materiales cristalinos, no existe un orden de largo alcance. Por lo tanto, los materiales amorfos no pueden definirse mediante una celda unitaria finita. Los métodos estadísticos, como la función de densidad atómica y la función de distribución radial, son más útiles para describir la estructura de los sólidos amorfos.

Aunque los materiales amorfos carecen de un orden de largo alcance, exhiben un orden localizado en escalas de longitudes pequeñas. El orden localizado en materiales amorfos se puede categorizar como orden de rango corto o medio. Por convención, el orden de corto alcance se extiende solo a la capa vecina más cercana, generalmente solo 1-2 espacios atómicos. El orden de alcance medio se define entonces como la organización estructural que se extiende más allá del orden de alcance corto, generalmente de 1 a 2 nm.

Los metales amorfos tienen baja resistencia, pero alta fuerza

Materiales nanoestructurados

Los materiales amorfos tendrán cierto grado de orden de corto alcance en la escala de longitud atómica debido a la naturaleza del enlace químico intermolecular. Además, en cristales muy pequeños, el orden de corto alcance abarca una gran fracción de los átomos; sin embargo, la relajación en la superficie, junto con los efectos interfaciales, distorsiona las posiciones atómicas y disminuye el orden estructural. Incluso las técnicas de caracterización estructural más avanzadas, como la difracción de rayos X y la microscopía electrónica de transmisión, tienen dificultades para distinguir estructuras amorfas y cristalinas en escalas de longitud corta.

Caracterización de sólidos amorfos

Debido a la falta de un orden de largo alcance, las técnicas cristalográficas estándar suelen ser inadecuadas para determinar la estructura de los sólidos amorfos. Se ha utilizado una variedad de técnicas basadas en computación, rayos X y electrones para caracterizar materiales amorfos. El análisis multimodal es muy común para materiales amorfos.

Difracción de rayos X y neutrones

A diferencia de los materiales cristalinos que exhiben una fuerte difracción de Bragg, los patrones de difracción de los materiales amorfos se caracterizan por picos amplios y difusos. Como resultado, se requieren análisis detallados y técnicas complementarias para extraer información estructural espacial real de los patrones de difracción de materiales amorfos. Es útil obtener datos de difracción tanto de fuentes de rayos X como de neutrones, ya que tienen diferentes propiedades de dispersión y proporcionan datos complementarios. El análisis de la función de distribución de pares se puede realizar en datos de difracción para determinar la probabilidad de encontrar un par de átomos separados por una cierta distancia. Otro tipo de análisis que se realiza con datos de difracción de materiales amorfos es el análisis de la función de distribución radial, que mide la cantidad de átomos que se encuentran a distancias radiales variables de un átomo de referencia arbitrario. A partir de estas técnicas, se puede dilucidar el orden local de un material amorfo.

Espectroscopía de estructura fina de absorción de rayos X

La espectroscopia de estructura fina de absorción de rayos X es una sonda de escala atómica que la hace útil para estudiar materiales que carecen de un orden de largo alcance. Los espectros obtenidos con este método brindan información sobre el estado de oxidación, el número de coordinación y las especies que rodean al átomo en cuestión, así como las distancias a las que se encuentran.

Tomografía electrónica atómica

La técnica de tomografía electrónica atómica se realiza en microscopios electrónicos de transmisión capaces de alcanzar una resolución inferior a Angstrom. Se adquiere una colección de imágenes 2D tomadas en numerosos ángulos de inclinación diferentes de la muestra en cuestión y luego se utiliza para reconstruir una imagen 3D. Después de la adquisición de la imagen, se debe realizar una cantidad significativa de procesamiento para corregir problemas como la deriva, el ruido y la distorsión del escaneo. El análisis y procesamiento de alta calidad mediante tomografía electrónica atómica da como resultado una reconstrucción 3D de un material amorfo que detalla las posiciones atómicas de las diferentes especies que están presentes.

Microscopía electrónica de fluctuación

La microscopía electrónica de fluctuación es otra técnica basada en la microscopía electrónica de transmisión que es sensible al orden de rango medio de los materiales amorfos. Las fluctuaciones estructurales que surgen de diferentes formas de orden de rango medio se pueden detectar con este método. Los experimentos de microscopía electrónica de fluctuación se pueden realizar en modo de microscopio electrónico de transmisión convencional o de barrido.

Técnicas computacionales

Las técnicas de simulación y modelado a menudo se combinan con métodos experimentales para caracterizar estructuras de materiales amorfos. Las técnicas computacionales de uso común incluyen la teoría funcional de la densidad, la dinámica molecular y Monte Carlo inverso.

Usos y observaciones

Películas finas amorfas

Las fases amorfas son componentes importantes de las películas delgadas. Las películas delgadas son capas sólidas de unos pocos nanómetros a decenas de micrómetros de espesor que se depositan sobre un sustrato. Los llamados modelos de zona de estructura se desarrollaron para describir la microestructura de películas delgadas en función de la temperatura homóloga (T_h), que es la relación entre la temperatura de deposición y la de fusión. temperatura. Según estos modelos, una condición necesaria para la aparición de fases amorfas es que (T_h) sea menor de 0,3. La temperatura de deposición debe ser inferior al 30% de la temperatura de fusión.

Superconductividad

En cuanto a sus aplicaciones, las capas metálicas amorfas jugaron un papel importante en el descubrimiento de la superconductividad en metales amorfos realizado por Buckel y Hilsch. Ahora se sabe que la superconductividad de los metales amorfos, incluidas las películas delgadas metálicas amorfas, se debe al emparejamiento de Cooper mediado por fonones. El papel del desorden estructural se puede racionalizar sobre la base de la teoría de la superconductividad de Eliashberg de acoplamiento fuerte.

Protección térmica

Los sólidos amorfos normalmente exhiben una mayor localización de los portadores de calor en comparación con los cristalinos, lo que da lugar a una baja conductividad térmica. Los productos para la protección térmica, como los revestimientos de barrera térmica y el aislamiento, se basan en materiales con una conductividad térmica ultrabaja.

Usos tecnológicos

Hoy en día, los recubrimientos ópticos hechos de TiO2, SiO2, Ta2O5, etc. (y combinaciones de estos) en la mayoría de los casos consisten en fases amorfas de estos compuestos. Mucha investigación se lleva a cabo en películas amorfas delgadas como una capa de membrana de separación de gases. La película amorfa delgada tecnológicamente más importante probablemente esté representada por capas delgadas de SiO₂ de unos pocos nm que sirven como aislador sobre el canal conductor de un transistor de efecto de campo semiconductor de óxido metálico (MOSFET). Además, el silicio amorfo hidrogenado (Si:H) tiene importancia técnica para las células solares de película delgada.

Uso farmacéutico

En la industria farmacéutica, se ha demostrado que algunos fármacos amorfos ofrecen una mayor biodisponibilidad que sus equivalentes cristalinos como resultado de la mayor solubilidad de la fase amorfa. Sin embargo, ciertos compuestos pueden experimentar precipitación en su forma amorfa in vivo, y luego pueden disminuir la biodisponibilidad mutua si se administran juntos.

En suelos

Los materiales amorfos en el suelo influyen fuertemente en la densidad aparente, la estabilidad de los agregados, la plasticidad y la capacidad de retención de agua de los suelos. La baja densidad aparente y las altas proporciones de vacíos se deben principalmente a que los fragmentos de vidrio y otros minerales porosos no se compactan. Los suelos Andisol contienen las mayores cantidades de materiales amorfos.

Fase

La aparición de fases amorfas resultó ser un fenómeno de particular interés para el estudio del crecimiento de películas delgadas. El crecimiento de películas policristalinas se utiliza a menudo y está precedido por una capa amorfa inicial, cuyo espesor puede ascender a solo unos pocos nm. El ejemplo más investigado está representado por las moléculas no orientadas de películas delgadas de silicio policristalino. Los policristales en forma de cuña se identificaron mediante microscopía electrónica de transmisión para crecer fuera de la fase amorfa solo después de que esta última haya excedido un cierto espesor, cuyo valor exacto depende de la temperatura de deposición, la presión de fondo y varios otros parámetros del proceso. El fenómeno ha sido interpretado en el marco de la regla de las etapas de Ostwald que predice la formación de fases para proceder con un tiempo de condensación creciente hacia una estabilidad creciente.