¿Qué es un Sólido Amorfo? Definición, características y ejemplos

Sólido Amorfo

El sólido amorfo es un tipo de materia que carece de orden regular de largo alcance dentro de su estructura atómica. Esta falta de orden atómico diferencia los sólidos amorfos de los sólidos cristalinos, que tienen una disposición regular y repetitiva de átomos conocida como red cristalina. El sólido es uno de los cuatro estados fundamentales de la materia, junto con el líquido, el gas y el plasma (gas ionizado). Un material sólido tiene una forma y un volumen fijos y puede ser amorfo o cristalino. Otra característica definitoria de los sólidos amorfos es que carecen de una forma geométrica regular. Mientras que los sólidos cristalinos (por ejemplo, diamantes, azúcar, sal y copos de nieve) comúnmente se presentan en formas geométricas regulares que reflejan la forma y simetría de su red cristalina.

¿Por qué son importantes los sólidos amorfos?

Los materiales amorfos son comunes tanto en el entorno natural como en entornos industriales. Ejemplos naturales son los suelos, lodos, alquitrán, tejidos biológicos y productos de resina de árboles, como el ámbar. El uso industrial de sólidos amorfos es omnipresente. Incluye vidrios (ventanas, pantallas de teléfonos móviles, fibras ópticas, etc.), aleaciones de metales amorfos, polímeros (caucho, plásticos), alimentos (mayonesa, mantequilla), productos farmacéuticos y tecnologías de película fina (recubrimientos resistentes). El estudio de cómo se forman los sólidos amorfos, su estructura, características y propiedades es esencial para comprender mejor nuestro entorno natural y el desarrollo y optimización de importantes materiales de consumo y tecnologías avanzadas.

¿Cómo se forman los sólidos amorfos?

Los sólidos amorfos, como los vidrios, se forman cuando un líquido se congela demasiado rápido para que sus moléculas formen una red cristalina regular. Otros tipos de sólidos amorfos, como los plásticos y el caucho, se forman mediante reacciones químicas que unen moléculas más pequeñas llamadas monómeros en redes tridimensionales más grandes llamadas polímeros. Se puede crear un tipo diferente de sólido amorfo mezclando físicamente dos materiales. Por ejemplo, el barro es una mezcla de minerales (p. ej., arcillas) + agua y la mayonesa es una emulsión de aceite, huevo y ácido.

Estos diferentes tipos de sólidos amorfos se caracterizan por la fuerza de los enlaces que mantienen unidos los átomos, moléculas y partículas que los constituyen. Por ejemplo, muchos vidrios y polímeros tienen fuertes enlaces interatómicos conocidos como enlaces covalentes, en los que los núcleos atómicos comparten electrones. Los sólidos amorfos más blandos y que se deforman más fácilmente, como el barro, la mayonesa y la mantequilla, se mantienen unidos mediante enlaces más débiles formados por la atracción y repulsión de moléculas ( fuerzas intermoleculares ). La diferencia entre enlaces covalentes y fuerzas intermoleculares es que los enlaces covalentes se forman entre átomos, mientras que las fuerzas intermoleculares implican atracción entre moléculas.

La temperatura de transición vítrea

Como se mencionó anteriormente, los vidrios se forman enfriando rápidamente un material fundido (una masa fundida) para que no se formen cristales. Recalentar el sólido resultante no hace que el material se derrita a una temperatura fija. Más bien, cambia gradualmente de un sólido rígido a un líquido viscoso en un rango de temperaturas. El rango de temperatura sobre el cual se ablanda una sustancia amorfa específica se conoce como temperatura de transición vítrea. La transición vítrea de sólidos amorfos específicos (dióxido de silicio, caucho, plásticos) depende de la historia térmica del material o de la velocidad de enfriamiento. Esto se debe a que diferentes velocidades de enfriamiento dan como resultado distintas distribuciones de fuerzas de unión dentro de la estructura atómica del material.

Estructura amorfa

La estructura atómica de un sólido amorfo carece de las disposiciones regulares de átomos de largo alcance que caracterizan a los sólidos cristalinos. Sin embargo, muchos tipos importantes de materiales amorfos (por ejemplo, vidrios y productos farmacéuticos amorfos) tienen un ordenamiento atómico de corto alcance en distancias de sólo unos pocos átomos. Los científicos estudian este orden de corto alcance en sólidos amorfos porque las disposiciones atómicas a esta escala determinan las propiedades físicas y químicas del material. Comprender cómo el orden de escala atómica de corto alcance de los materiales amorfos afecta sus propiedades físicas y químicas es esencial para refinar y descubrir materiales novedosos que permitan la tecnología.

¿Cómo pueden los científicos saber si un material es amorfo o cristalino?

Los científicos pueden determinar si un material es amorfo o cristalino enfocando diferentes tipos de energía (por ejemplo, electrones, neutrones o rayos X) en una muestra cuidadosamente preparada y observando cómo la energía se difracta o dispersa dentro del material. Debido a la disposición regular de los átomos en el material cristalino, los rayos X se difractan de forma regular y reproducible dentro de una red cristalina. El patrón de difracción de un material cristalino específico (por ejemplo, cuarzo o sacarosa) es diagnóstico de ese compuesto en particular. Dado que los sólidos amorfos no tienen planos atómicos regulares, los rayos X se dispersan irregularmente dentro de estos materiales, lo que genera patrones de difracción difusos y mal definidos. Entonces, una de las técnicas más comunes para determinar si un material es cristalino o amorfo es observar su patrón de difracción de rayos X.

¿Cómo estudian los científicos la estructura atómica de los materiales amorfos?

Las estructuras amorfas se pueden estudiar utilizando sofisticadas técnicas de dispersión de energía. Estos métodos también utilizan haces de energía enfocados (rayos X) y campos magnéticos para estudiar la estructura química de corto alcance de materiales amorfos. Técnicas como la espectroscopia de absorción de rayos X (XAS), la resonancia magnética nuclear y la espectroscopia de RMN, junto con métodos avanzados de modelado numérico, permiten a los científicos determinar la estructura atómica local (qué átomos están unidos a cuáles) dentro de un material amorfo. Esta información se puede utilizar experimentalmente para correlacionar la estructura atómica de corto alcance del material con propiedades físicas y químicas específicas. Esta información se puede utilizar para producir sólidos amorfos con las características y propiedades deseadas.

Características sólidas amorfas

La estructura atómica irregular de los sólidos amorfos confiere a estos materiales características físicas únicas en relación con sus homólogos cristalinos. Por ejemplo, se ha demostrado que algunas aleaciones metálicas amorfas tienen propiedades mecánicas (ductilidad, resistencia a la compresión, tenacidad a la fractura, durabilidad) que son superiores a las aleaciones cristalinas de composición equivalente. Las propiedades mecánicas mejoradas de los sólidos amorfos pueden explicarse por la falta de límites de grano cristalino y defectos cristalinos.

Otra característica física importante de los sólidos amorfos es su capacidad para ablandarse en un rango de temperaturas. Como se analizó anteriormente, este rango de temperatura se conoce como transición vítrea y es una característica de los metales, polímeros y vidrios amorfos. Cuando estos materiales se calientan hasta su rango de temperatura de transición vítrea, se ablandan hasta convertirse en un material viscoso similar a un líquido que se puede trabajar en diferentes formas. Esta característica hace posible el arte de soplar y moldear vidrio para producir recipientes, tubos y material de vidrio científico. De manera similar, el ablandamiento de los polímeros en un rango conocido de temperaturas permite a los científicos producir componentes electrónicos elásticos basados ​​en polímeros utilizados en los dispositivos digitales más nuevos.

Debido a las características de fractura del vidrio volcánico natural ( obsidiana ), se puede desmenuzar en pedazos con bordes fuertes y afilados. Este mecanismo de fractura característico (conocido como fractura concoidea ) refleja nuevamente la falta de planos cristalográficos regulares dentro de la estructura atómica del material. Desde tiempos prehistóricos, la obsidiana se ha utilizado para fabricar herramientas y puntas de proyectil.

Propiedades sólidas amorfas

La disposición regular y simétrica de los átomos dentro de un sólido cristalino hace que las propiedades de ese material (conductividad eléctrica y térmica, índice de refracción, resistencia mecánica) varíen en diferentes direcciones dentro del material. Es decir, es un material anisotrópico. Por el contrario, las propiedades de los sólidos amorfos son las mismas en todas las direcciones, ya que estos materiales carecen de una estructura atómica regular. Por ello se les conoce como materiales isotrópicos. La naturaleza isotrópica de los sólidos amorfos tiene implicaciones importantes para sus propiedades físicas y químicas.

Sólidos amorfos en productos farmacéuticos

Las estructuras atómicas únicas de los sólidos amorfos confieren a estos materiales propiedades físicas y químicas distintas. Por ejemplo, se estima que los agentes farmacéuticos amorfos son diez veces más solubles en agua en comparación con sus homólogos cristalinos. Esta mayor solubilidad puede mejorar el rendimiento biofarmacéutico (p. ej., biodisponibilidad) de nuevos fármacos. Sin embargo, las propiedades ventajosas de los materiales amorfos deben equilibrarse con las propiedades perjudiciales. Por ejemplo, se ha demostrado que los fármacos que contienen agentes amorfos absorben agua del aire y, por tanto, pueden volverse físicamente inestables.

Aleaciones metálicas amorfas

Desde hace décadas se sabe que las propiedades superficiales únicas de las aleaciones amorfas (también denominadas vidrios metálicos ) imparten una resistencia a la corrosión y propiedades catalíticas favorables. Por ejemplo, se ha demostrado que las aleaciones amorfas que contienen cromo y fósforo poseen una resistencia a la corrosión superior a muchos tipos de aleaciones cristalinas que contienen cromo, como los aceros inoxidables. Además, las aleaciones amorfas que contienen paladio y fósforo son prometedoras como electrocatalizadores y se han utilizado para la oxidación de metanol en pilas de combustible y otras reacciones catalíticas importantes. Sin embargo, la relación entre la composición de un material amorfo, su estructura atómica (orden de corto alcance) y sus propiedades químicas sigue siendo en gran medida incierta y es objeto de investigaciones en curso en todo el mundo.

Ejemplos de sólidos amorfos

Los sólidos amorfos pueden ser homogéneos, como vidrios, aleaciones y muchos tipos de polímeros (cauchos y plásticos), o pueden ser heterogéneos, como emulsiones y mezclas físicas como el lodo. En la siguiente tabla se muestran ejemplos de sólidos amorfos. Esta tabla enumera algunos de los sólidos amorfos naturales y antropogénicos (fabricados) más comunes e importantes.

Amorfo versus cristalino

Muchas de las características y propiedades que distinguen los sólidos amorfos y cristalinos se analizan en las secciones anteriores. Las más importantes de estas características diferenciadoras se presentan en la siguiente tabla.

Resumen de la lección

El sólido amorfo es un tipo de materia que carece de orden regular de largo alcance dentro de su estructura atómica. Esta falta de orden atómico diferencia los sólidos amorfos de los sólidos cristalinos, que tienen una disposición de átomos regular y repetitiva. Debido a la falta de ordenamiento a escala atómica, los sólidos amorfos generalmente se presentan como masas irregulares de material en lugar de formas geométricas regulares. Los sólidos amorfos son comunes en ambientes naturales (p. ej., suelos, lodos, tejidos biológicos). También son omnipresentes en la electrónica de consumo y en los productos con los que interactuamos a diario (cristal de teléfonos móviles, neumáticos, plásticos, productos farmacéuticos, alimentos). Los diferentes tipos de sólidos amorfos se caracterizan por la fuerza de los enlaces que mantienen unidos los átomos, moléculas y partículas que los constituyen. Por ejemplo, muchos vidrios y polímeros tienen fuertes enlaces interatómicos conocidos como enlaces covalentes, en los que los núcleos atómicos comparten electrones. Los sólidos amorfos más blandos y que se deforman más fácilmente, como el barro, la mayonesa y la mantequilla, se mantienen unidos mediante enlaces más débiles formados por la atracción y repulsión de moléculas ( fuerzas intermoleculares ).

Una característica fundamental que distingue a los sólidos amorfos es la falta de puntos de fusión bien definidos. Cuando se calientan, los sólidos amorfos se ablandan y se vuelven viscosos en un rango de temperaturas (la transición vítrea ), en lugar de transformarse repentinamente de sólido a líquido a una temperatura específica. La estructura atómica desordenada de los sólidos amorfos también les confiere propiedades físicas y químicas únicas. Los científicos e ingenieros han utilizado estas propiedades únicas para producir materiales avanzados que permitan la tecnología, como aleaciones amorfas resistentes a la corrosión, vidrios resistentes a roturas , recubrimientos químicamente resistentes y productos farmacéuticos con biodisponibilidad mejorada. Por lo tanto, los sólidos amorfos desempeñan un papel integral en nuestras vidas desde una perspectiva tanto ambiental como tecnológica.

Rodrigo Ricardo Editor y fundador