Bienvenido al blog de Cuasicristales. Acá hay algunos artículos sobre el tema.
Un cuasi-cristal es una estructura ordena que posee repeticiones totalmente aperiódicas, lo que hace que posean una falta de simetría translacional
Científicos de la Universidad Duke y la Universidad Estatal de Pensilvania han diseñado un modelo por ordenador de una aleación metálica "cuasicristalina" que interacciona con un gas a varias temperaturas y presiones. Su desarrollo podría contribuir a lograr aplicaciones más amplias para los cuasicristales, en piezas de maquinaria de muy baja fricción, tales como los rodamientos y las partes deslizantes.
Los cuasicristales, como los cristales normales, están formados por átomos que se combinan para formar estructuras geométricas como triángulos, rectángulos, pentágonos, etc., que se repiten siguiendo una pauta. Sin embargo, a diferencia de los cristales periódicos normales, en los cuasicristales el patrón no se repite a intervalos regulares. Así, mientras los modelos atómicos de dos materiales cristalinos que se rozan entre sí pueden alinearse y triturarse entre sí, produciendo la fricción, los materiales cuasicristalinos no lo hacen, y por lo tanto la fricción que se produce en ellos es pequeña.
Ya se utilizan aleaciones metálicas cuasicristalinas en algunos productos comerciales, incluyendo un revestimiento para sartenes en las cuales los alimentos no se pegan porque combinan la propiedad de ser resistentes a los arañazos y a las altas temperaturas de un polímero como el Teflón con la capacidad de conducción del calor de los metales.
Sin embargo, todavía existe un gran obstáculo técnico que impide usar los materiales cuasicristalinos para minimizar la fricción entre las superficies que resbalan entre sí. Los contaminantes microscópicos de la superficie, como por ejemplo los gases atmosféricos, pueden interponerse entre las superficies e interferir con la alta lubricidad de estos materiales. Los gases forman una delgada capa de moléculas sobre la superficie de la aleación, típicamente en un modelo cristalino, que enmascara las propiedades deseables de la superficie del cuasicristal subyacente.
Los científicos están interesados en los cuasicristales, porque son resistentes a los arañazos y presentan una muy pequeña fricción, por lo que resultan prometedores para las superficies de contacto deslizantes en las maquinarias, y en aplicaciones donde la posibilidad de producirse arañazos sea elevada.
Stefano Curtarolo (izquierda) y Wahyu Setyawan han participado en el trabajo. (Foto: Jim Wallace )
Hasta 1984, se creía que los metales sólo presentaban estructuras cristalinas periódicas. Entonces, un grupo de científicos de los materiales anunció el descubrimiento de la primera aleación metálica con una estructura cuasicristalina. Desde entonces los científicos han tratado de explorar las propiedades y aplicaciones de los cuasicristales.
El desafío al que los investigadores se enfrentan es cómo conservar la propiedad de baja fricción entre las superficies de un cuasicristal, en presencia de un gas.
El nuevo modelo desarrollado es un paso adelante para entender cómo los cuasicristales actúan recíprocamente con los gases de la atmósfera y cómo podrían usarse en el futuro en máquinas reales.
Hasta ahora se tenía a los cuasicristales como un cuerpo con una estructura extraña mitad cristal mitad vidrio. Descritos por primera vez en 1980 por el científico e investigador Daniel Schetman, quien obtuvo en el 2011 el Premio Nobel en Química por el descubrimiento, hace dos años todo cambió. Se habían encontrado cuasicristales naturales, no construídos en laboratorios. Tras varios tests e investigaciones, desde hace unas horas se afirma queprovienen del espacio, posiblemente de algún meteorito.
Y es que la idea formulada cambia completamente la comprensión que teníamos hasta ahora de las condiciones necesarias de estas curiosas estructuras a la hora de formarse. Los cuasicristales son ordenados, como los cristales convencionales, pero tienen una forma más compleja de la simetría.
Haciéndose eco de los patrones de esta simetría se han utilizado para las vertientes artísticas durante siglos. Aún así, los materiales con este tipo de orden en la escala atómica no fueron descubiertos hasta la década de 1980. El descubrimiento tuvo lugar en un laboratorio de fabricación de materiales compuestos de elementos metálicos como el aluminio o el manganeso. Con el mismo obtuvo Schetman el Premio Nobel el año pasado.
En el año 2009, un equipo de geólogos encontraron cuasicristales en unas rocas de una zona montañosa en Siberia. Tras dos años analizando el cuerpo encontrado, el científico de la Universidad de Princeton, Paul Steinhardt, sostiene que formó parte de un meteorito que cayó a la Tierra.
Steinhardt ha presentado un artículo donde los investigadores aseguran que la roca ha sufrido las presiones y temperaturas extremas típicas de las colisiones de alta velocidad que producen los meteoritos en el cinturón de asteroides.
Utilizando la técnica de la espectrometría de masa, midieron las diferentes formas o isótopos del elemento de oxígeno contenido en algunas partes de la muestra de roca.
Lo que encontraron fue que el patrón de los isótopos del oxígeno era completamente distinto a cualquier otro mineral conocido cuyo origen hubiera sido la Tierra. Era algo que se acercaba a lo encontrado en tipos de meteoritos conocidos como carbonaceous chondrite.
No sólo eso, encontraron que las muestras contenían un tipo de sílice que sólo puede darse bajo presiones muy altas (por ejemplo en el manto terrestre o tras un impacto a gran velocidad), las mismas que ocurren cuando un meteorito choca con la superficie de la Tierra.
Finalmente acabaron concluyendo que:
Nuestra evidencia indica que los cuasicristales pueden formarse naturalmente bajo condiciones astrofísicas y mantenerse estables a lo largo de escalas de tiempo cósmicas. Esto sugiere que la naturaleza logró hacerlo en condiciones completamente locas.
Esta es otra de las ocasiones en la que a uno le ponen la entrada a huevo. En cuestion de pocos días se han acumulado una serie de eventos que hacen que la entrada se escriba sola. En las últimas semanas, varios amigos y conocidos me han preguntado por el asunto de los speedy neutrinos, como los ha bautizado uno de ellos. La marabunta mediática que se ha organizado sobre si Einstein tenía o no tenía razón se ha simplificado en titulares, de tal manera que el más común de los mortales quiere enterarse de algo, no vaya a ser que una parte importante de la tecnología en la que descansamos (GPS, láseres, resonancia magnética nuclear,..) se vaya a ir al garete por una panda bastante numerosa de físicos circunspectos a caballo entre Suiza e Italia.
El Búho ha salido del atolladero preguntón como ha podido pero, desde el miércoles, lo tengo solucionado. Remito a todo el mundo a la estupenda conferencia que dió ese día en Donosti José Ignacio Latorre dentro de la serie Lecciones Kutxa 2011. Yo no pude estar por obligaciones paterno-filiales pero la he visto aquí , como un señor, repantingado en mi sillón y con cerveza incluída (algo que en vivo no es posible). Gracias al canal de TV del Donostia International Physics Center.
Sin embargo, nadie me ha inquirido sobre el Nobel de Química 2011, adjudicado a Daniel Shechtman por sus, poco a poco, famososcuasicristales. Lógico por otra parte. Shechtman no es Einstein y las repercusiones de los cuasicristales en nuestra vida diaria están todavía por ver. Pero tiempo al tiempo. Tampoco voy a emplear centenares de caracteres en contaros lo que son esos cuasicristales. Esta misma mañana, El País publicaba un excelente artículo de divulgación del cristalógrafo del CSIC Juan Manuel García Ruiz y no se puede decir mucho más ni contarlo de forma tan clara. El uso que hace de los maravillosos mosaicos que uno puede contemplar en la Alhambra (y otros recintos árabes similares) para explicar el asunto, debiera conduciros sin dilación a esta página , si no la habeis ya leído en el papel.
Lo que a mi me interesa más de la historia de Shetchtman es la tozudez con la que ha defendido, a lo largo del tiempo, un descubrimiento por chiripa que realizó hace casi 30 años. Sus resultados chocaban frontalmente con todo lo establecido en cristalografía desde hacía más de un siglo y, lo más razonable, hubiera sido mandarlos a la papelera. Tanto es asi que, en muchos congresos en los que ha ido mostrando esos resultados, ha tenido que aguantar los sarcasmos de muchos de sus colegas, que casi le recomendaban la lectura de manuales para estudiantes para que cayera en la cuenta de su equivocación. Y entre los que le criticaron con ferocidad estaba el dos veces Premio Nobel (uno de la Paz y otro de Química) Linus Pauling.
Pauling era un hueso de roer. Pero también ha tenido equivocaciones notables que se ha tenido que tragar, como ya os contaba en una lejana entrada. Su equivocación en la propuesta de la estructura del DNA es de las que hacen historia y sus devaneos con cierta medicina alternativa a propósito de su fe en la Vitamina C también. Y este tipo de dogmatismo sobre lo establecido es bastante corriente en la historia de la ciencia. Por sólo limitarme al campo de los polímeros, el padre de la idea de que podían existir moléculas gigantes de cientos y miles de unidades unidas por enlaces covalente, Hermann Staudinger, Premio Nobel de Química en 1953, tuvo que aguantar de un preclaro Herr Professor alemán en Química Orgánica la siguiente frase envenenada: "Mi querido colega, deseche sus ideas sobre las moléculas grandes. No hay moléculas superiores a un peso molecular 5000. Purifique bien sus productos y al cristalizar le revelarán su carácter de moléculas de bajo peso molecular". Lo de "purifique bien sus productos" para un químico orgánico es como llamarle guarro a la cara. Y, sin embargo, la industria del plástico está llena macromoléculas o polímeros con pesos moleculares que van desde cientos de miles a varios millones...
Así que no es raro que en las trifulcas (cada vez más abundantes) que se organizan sobre ciencia y pseudociencia, un argumento de los partidarios de la segunda sea el echarnos en cara lo orgullosos y dogmáticos que somos los científicos defendiendo una idea que establecemos como irrebatible. Y, ciertamente, no hay más que ir a congresos científicos serios para comprobar con qué arrogancia se defienden determinadas hipótesis, algunas con endebles bases en las que sustentarse. Pero como quedaba claro en un reciente post del Cuaderno de Cultura Científica, los que son arrogantes son las personas que trabajan como científicos pero no la Ciencia como tal, cuya principal característica es la de ser humilde para reconocer sus propios errores cuando las evidencias se acumulan en contra de una hipótesis o una teoría. Es seguro que Pauling introdujo muchos dedos en los ojos de sus colegas en lo relativo a sus ideas sobre el DNA pero, al final, el método científico le obligó a meterse el rabo entre las piernas y hacer mutis por el foro en cuestión.
Algo que no hacen nunca los que no reconocen al método científico como herramienta. Pero que ello no os sirva como excusa para no usar la humildad como distintivo señero de nuestras convicciones. Cruzando los dedos para que nadie nos las desbarate.
El experimento detallado en el número 18 del mes de agosto de la revista Nature, los investigadores construyeron un modelo tridimensional de un 'cuasicristal' hecho de varas de polímero para probar si tales estructuras son útiles para controlar el camino de luz.
Un 'cuasicristal' es una forma extraña de sólido formado de dos componentes básicos, o grupos de átomos, esto se repite con regularidad en todas partes de la estructura con dos espacios diferentes. Los cristales ordinarios son hechos de un componente básico solo que se repite con todos los espacios iguales.
Los cristales habían sido considerados la mejor estructura para hacer uniones en el recorrido fotónico. Pero los investigadores demostraron por primera vez que las estructuras de un 'cuasicristal' son mejores para atrapar y desviar la luz porque su estructura es más esférica. Su modelo, que tenía la misma simetría que una pelota de fútbol, mostró que el diseño 'cuasicristal' podría bloquear la luz para no escaparse.
El descubrimiento representa un avance para el campo de la fotónica -en que la luz sustituye la electricidad como un medio para transmitir y tratar la información- y podría conducir al desarrollo de telecomunicaciones más rápidas y dispositivos para calcular.
"La búsqueda para una estructura que bloquea el paso de luz en todas las direcciones ha fascinado a físicos e ingenieros durante las dos décadas pasadas," dijo el físico de la Universidad de Princeton, Paul Steinhardt, coautor del artículo de Nature, quien inventó el concepto de 'cuasicristales' junto con el estudiante Dov Levine en la Universidad de Pensylvania en 1984.
"La luz controlada puede ser dirigida, cambiada y tratada como electrones en un recorrido electrónico, y tales dispositivos fotónicos tienen muchas aplicaciones en la investigación y en comunicaciones," afirmó Steinhardt.
Paul Chaikin, antiguo profesor de Princeton ahora para el Centro para la Investigación de Materia Suave en la Universidad de Nueva York, dijo, "Por último, el sistema fotónico es un mejor método para canalizar la información que la electrónica - esto consume menos energía y es más rápido."
Para conducir su experimento, los investigadores construyeron el primer modelo del mundo de un 'cuasicristal' fotónico tridimensional, que era un poco más grande que una pelota de béisbol hecho de cuatro mil varas de polímero de un centímetro. Ellos observaron como las microondas fueron bloqueadas en ciertos ángulos a fin de calibrar la estructura que controlaría la luz que pasa por ahí.
"El modelo en el cual los fotones son bloqueados o no bloqueados nunca realmente había sido calculado," dijo Steinhardt. "En el laboratorio, éramos capaces de construir un dispositivo que con eficacia pareció haciendo una simulación de computadora para ver los modelos de transmisión."
Chaikin añadió "mostramos que esto tiene aplicaciones prácticas, y también averiguamos algunas propiedades de los 'cuasicristales' que no sabíamos antes."
Los investigadores exploran ahora modos de miniaturizar la estructura a fin de utilizar el dispositivo con la luz visible en vez de microondas. También examinan si los diseños 'cuasicristal' pueden ser útiles en aplicaciones electrónicas y acústicas.
Resumen
Las propiedades magnéticas y estructurales del sistema Fe70Si30
preparadas por aleamiento mecánico en un molino planetario,
con una relación masa bola: masa polvo de 10 a 1 y una velocidad de rotación de 280 rev/min durante 100 horas de molienda.
La muestra fue estudiada por espectroscopia Mössbauer variando la temperatura entre 4 K y 673 K y por difracción de rayos x
a temperatura ambiente. De los ajustes de los espectros de difracción de rayos x se encontraron las fases bcc-Fe y FeSi. Al final del proceso de medición a diferentes temperaturas, se encontraron las fases bcc-Fe y Fe3Si.. Al comparar el espectro
Mössbauer a temperatura ambiente antes y después del proceso de medición, se evidencia que hubo un reordenamiento de la
estructura mostrando que el proceso de medida se convierte en un tratamiento térmico
Diálogo con Fernando Audebert, doctor en Ingeniería.
El hipotético jinete se siente perdido en el mundo de la materia, cristales, nanomateriales y cuasi-cristales. Le resultan lianas y enredaderas en la inhóspita selva de la empiria, que algunos llaman tecnología y otros el mundo real.
Por Leonardo Moledo
Pero igualmente insiste, hurga, indaga y se encuentra con que no
es en el fondo de la materia, donde reinan los neutrones, los
protones, los quarks, que tanto le gustan, sino en las formas en
que la materia se ordena (y a veces se rompe), en los notables
ordenamientos que adopta al pasar de líquida a sólida, y
especialmente al ser capturada en ese trance, en ese duro
tránsito, donde aparecen los sólidos platónicos, que confundieron
de tal manera a Kepler y le hicieron imaginar un universo
fantástico y a todas luces inexistente. –Usted es el director del Departamento de Ingeniería Mecánica de la Facultad de Ingeniería de la UBA.
–Sí, pero además tengo a cargo la escuela de graduados de
metalurgia y soy director del Cididi (acuerdo entre la Facultad y el
gobierno para hacer un Centro de Investigación, Desarrollo,
Innovación y Diseño en Ingeniería). –Bueno, ¿y qué hace?
–Dirijo un grupo con el cual trabajamos en materiales novedosos en cuanto a la estructura que tienen.
Algunos son amorfos, es decir que no tienen una estructura ordenada de átomos; otros son nanomateriales,
partículas muy pequeñas; y mezclamos materiales metálicos, cerámicos y polímeros. Ahora, por ejemplo,
estamos trabajando para hacer una célula de combustible cerámica con hidrógeno y en el área de metales
los puntos fuertes son aleaciones de aluminio, que tienen estructuras muy particulares. Tienen un orden
icosaédrico, se ordenan como icosaedros, uno de los sólidos platónicos, regulares, de veinte caras iguales. –Es raro eso, ¿no?
–Sí, se genera de acuerdo con el procesamiento con el cual uno obtenga el material. –¿Y qué pasa con esos materiales nuevos? No los nanomateriales, que están muy de moda, sino los amorfos.
–Lo que pasa es que entre amorfos y nanomateriales se da lo que se llama una estructura metaestable. Los
átomos no están en su posición más estable dentro de la materia, aunque tienen una capacidad energética
interior que les permitiría caer a la posición más estable. Según el tipo de procesamiento que uno le aplica
(desde el líquido cuando se lo enfría rápido, o con procesamientos termodinámicos diferentes) logra ese tipo
de ordenamientos extraños. Manipulando así la materia se abrió un panorama en la metalurgia que permite
lograr y mezclar todo tipo de ordenamientos con los cuales se consiguen propiedades muy distintas de las
conocidas hoy en día. –¿Por ejemplo?
Por ejemplo, muy altas resistencias mecánicas. En el caso del aluminio, y entre los 300 y 400 grados, se
alcanza la resistencia del titanio, y ésa es una ventana que no cubre ningún otro material liviano. –¿Esas estructuras son estables?
–Metaestables, como le dije. Nosotros congelamos del líquido al sólido muy rápidamente. Yse obtienen
cosas muy raras. Lo que ocurre es que la ciencia había estudiado muy bien los productos inicial y final del
proceso de congelamiento, pero no los procesos intermedios entre el estado líquido y el sólido. Lo que
hacemos es congelar rápido en esos estados intermedios, y en esos estados intermedios se descubrió un
mundo nuevo. –Y esas estructuras dependen de la composición química, supongo.
–De la composición química y de cómo uno lo va solidificando. –Y de las impurezas...
–En el laboratorio se eliminan las impurezas accidentales. Digamos que las impurezas de los materiales son
intencionales. Cuando uno hace un desarrollo, en primer lugar trabaja con un aluminio muy puro. Después,
en una segunda etapa, vemos qué pasa con un aluminio comercial, cuáles son las diferencias con el que
tiene un gran grado de pureza. Ese es el embrión de un proyecto de transferencia tecnológica. –¿Ya está ese proceso de transferencia tecnológica?
–Tenemos una patente en eso, con la Universidad de Oxford, en esos aluminios de aleaciones nano-cuasicristalinas. Uno de los tipos de cuasi-cristales son los icosaedros de los que le hablaba. –Qué cosa rara, ¿no?
–Sí... cosa rara que fascinó a muchísimos científicos. Kepler imaginó su universo de acuerdo con los sólidos
platónicos (uno de los cuales era el icosaedro), los pitagóricos lo tenían como elemento místico. –¿Por qué no cuenta, ahora, lo que es un cristal y lo que es un cuasi-cristal?
–Dentro de la materia los átomos están ordenados de alguna manera. Los físicos y los cristalógrafos
empezaron a estudiar cómo se llenaba un espacio dentro de una materia. Se podía llegar a llenar un espacio
con hexágonos. Había ciertas formas con las cuales se podía cubrir un espacio de forma ordenada, y eso era
lo que se llamaba cristal. La idea era que si yo tomaba una partícula y la movía, siempre a la misma distancia
tenía que haber una posición donde yo encontrara un átomo. Eso es el ordenamiento de un cristal. Pero... –¿Pero?
–Había también otras figuras. Por ejemplo, si tomo un pentágono y lo llevo a un volumen, eso me da un
icosaedro o un dodecaedro, y con ellos no se puede cubrir completamente un espacio. Quedan intersticios,
agujeros. Y resulta que con esta técnica de enfriado rápido se descubre en 1984, que efectivamente había
icosaedros. ¿Cómo puede ser que esté lleno eso? –No lo sé, honestamente... El cuasi-cristal sería algo que en parte es cristalino, en el sentido en que usted lo explicaba, y en parte no.
–Algo así. Un cristal tiene un ordenamiento periódico y otros materiales tienen un ordenamiento, pero no es
periódico. Lo que tiene un orden, y no es periódico, es cuasi-cristalino. Tiene un orden distinto. Se
encuentran órdenes rotacionales, pero nunca traslacionales. –Vamos un poco al meollo físico. Yo tengo un material cualquiera. Cuando el material se enfría, adopta una estructura cristalina o cuasi-cristalina. Pero todo ese momento de enfriamiento es lo que ustedes estudiaron y capturan. Ustedes capturan períodos intermedios.
–Pero no se sabe perfectamente cuándo va a ocurrir eso. Yo me centro en el líquido. Tomo el aluminio, le
pongo hierro: primero veo qué tipo de asociaciones forma el aluminio. Ahora, ¿qué pasa cuando le meto
hierro? Entra una partícula más chica, con una energía diferente. El hierro se pone en el centro y los átomos
de aluminio alrededor. –Y obtienen un material...
–Que, por la cantidad de hierros que yo le pongo, tiene partículas icosaédricas. Y el resto es aluminio. –Y eso da un material mucho más resistente que el aluminio.
–Así es. Llega más o menos a la resistencia del titanio en temperaturas que van del 200 al 400 en grados
centígrados, como le dije. –Y eso tratan de hacer con todos...
–Hay otras cuestiones. A veces el material es tan resistente que llega a ser frágil. Como no acepta ninguna
deformación, directamente se rompe. Otro punto de estudio es cómo hacer que esos amorfos sean dúctiles.
La idea es estudiar cómo se puede introducir algún elemento cristalino o cuasi-cristalino dentro de esa matriz
amorfa. Eso lo hacemos con magnesio. –¿Alguna otra línea de trabajo?
–Trabajamos con implantes dentales. Para que haya una integración con el hueso, los osteocitos se tienen
que adosar al titanio y tomarlo como una identidad, para adosarlo al hueso. En un tornillo, normalmente un
40 por ciento de la superficie del tornillo actúa para oseointegración. Hay dos formas de aumentar este
porcentaje. Una es tener una cierta rugosidad para que el hueso se enganche. La otra es darle una especie
de afinidad química mediante recubrimientos de la superficie, que el hueso reconoce como más afín y lo
adosa mejor. Hoy en día se mete en un líquido reactivo o se lo bombardea con partículas, pero ninguna de
esas es muy efectiva. Nosotros estamos probando hacerlo con láser, y estamos logrando crecimientos
mayores a los normales.
Grupo de Materiales Avanzados, Facultad de Ingeniería.
Las aleaciones nanoestructuradas de Aluminio que contienen cuasicristales como partículas
reforzantes poseen una alta resistencia mecánica y aceptable tenacidad que las hace muy aptas para
aplicaciones industriales. Las fases cuasicristalinas se han observado en numerosos sistemas, en
particular en sistemas de base Aluminio donde se encuentra el mayor registro de ellas [1]. Estas
fases se caracterizan por ser estructuras ordenadas con simetrías no periódicas, puntualmente los
cuasicristales icosahédricos poseen solo simetría de rotación. Esta característica le confiere a los
materiales que los contienen un alta dureza que sumado a los bajos coeficientes de fricción, bajo
coeficiente de transmisión del calor y alta resistividad [2], los sugiere como materiales de alto
potencial de aplicación tecnológica, principalmente en el área tribológica como recubrimientos
resistentes al desgaste. No obstante, no se encuentran referencias de su comportamiento frente a la
corrosión.
En la literatura se encuentra una gran cantidad de trabajos sobre recubrimientos
cuasicristalinos obtenidos mediante diferentes técnicas [2-4]; no obstante la elaboración de los
mismos a una escala industrial presenta un desafío importante. Las técnicas de Spray Térmico [5-6],
fácilmente adaptables a procesos de producción, brindan una oportunidad de generación de
recubrimientos cuasicritalinos para aplicaciones industriales
En este trabajo se presenta un estudio sobre la elaboración de recubrimientos cuasicristalinos
icosahédricos de base Aluminio aplicados mediante “Plasma Spray” (Fig.1.-). Se realizaron
recubrimientos de una aleación de Al-Cu-Fe-Cr en polvo con diferentes parámetros de proceso
sobre láminas de substrato de aleación Al-7Si, a fin de determinar las variables de proceso que
permitan obtener recubrimientos con buenas propiedades tribológicas. La elaboración de estos
recubrimientos fueron realizados en una empresa Argentina.
Se realizó una primera caracterización estructural mediante Difracción de Rayos X,
microscopía óptica y Microscopia Electrónica de Barrido (SEM) y Análisis químico mediante
espectroscopía dispersiva en energía de rayos X. El comportamiento frente a la corrosión de los
recubrimientos se realizo mediante el estudio de curvas de polarización potenciodinámicas en
solución de Cloruros (1M) a 25ºC.
Fig.1.- Diagrama esquemático de la técnica de Plasma Spray (APS).-
Fig.2.- Imágenes de Electrones Secundarios de un recubrimiento obtenido por APS.-Los resultados muestran que los recubrimientos obtenidos mediante Plasma Spray, presentan
una microestructura formada por fases cuasicristalinas y cristalinas en distintas proporciones. La
figura 2, presenta una micrografía de uno de los recubrimientos obtenidos; los mismos presentaron
altos valores de dureza pero inferiores a los correspondientes a materiales cuasicristalinos puros. Se
observó además que el aumento de la temperatura de impacto, la cual se encuentra directamente
relacionada con la temperatura de flama contribuyó a obtener recubrimientos más compactos y
homogéneos. Diversos estudios señalan que la temperatura de flama puede ser modificada variando
la relación Ar/H2
[7] De esta forma el aumento de la temperatura de flama promueve un aumento en
la temperatura de impacto del polvo sobre el material substrato [8]. Finalmente las curvas
potenciodinámicas muestran que estos materiales presentan una mejor resistencia a la corrosión en
solución NaCl-1M respecto del material del substrato, Al-7Si.
Los minerales arcillosos presentan un tamaño reducido de partícula, y presencia de carga en su superficie, lo cual le otorga propiedades físico - químicas muy particulares: retención y liberación de moléculas orgánicas e inorgánicas, capacidad para
mantenerse dispersas o reunirse en agregados voluminosos, hinchamiento, etc.
Sus pequeñas hacen que se comporte como un sistema coloidal cuando entra en contacto con agua, mientras que la presencia de cargas le permiten atraer sustancias ubicadas en la en contacto con ellas.
Estos minerales presentan cargas con dos orígenes diferentes: permanentes y dependientes de pH.
Las cargas permanentes, constantes o estructurales se han generado, a través de los procesos geológicos, debido a sustituciones isomórficas en lasestructuras cristalinas, generalmente negativas debido al reemplazo de átomos de la estructura por otros de valencia (magnesio por aluminio, aluminio por silicio). Estas cargas resultan independientes del entorno del mineral.
En los bordes, sin embargo, aparecen cargas que son dependientes del pH del medio y por lo tanto son variables. Surgen de la disociación de grupossuperficiales, como muestra el siguiente esquema:
Si-OH2+ ¬ Si-OH ® Si-O-
pH < pzc pH = pzc pH > pzc
Sólo se encuentran neutralizadas una cierta condición de pH, denominada pzc : punto de carga cero (point of zero charge), que depende del de enlace químico involucrado. Cuando el pH se eleva por encima del pzc, en un medio mas alcalinizado, la superficie de borde adquiere carga negativa (pH > pzc) mientras que al por debajo del pzc, en un medio más ácido, se vuelve positiva. Esto no implica que el valor de pzc sea neutro, dependiendo del grupo funcional implicado puede oscilar entre ácidos y alcalinos.
En la siguiente se muestran las fórmulas estructurales de algunos minerales arcillosos del grupo de las montmorillonitas, procedentes de la norpatagonia Argentina:
Cuando un mineral arcilloso se pone en contacto con el agua se forma una dispersión coloidal cuyo comportamiento depende de las interacciones entre los componentes del sistema que, básicamente son los siguientes:
- partículas de arcilla,
- moléculas de agua,
- cationes,
- aniones
En el caso de tratarse de una superficie cargada negativamente los cationes asociados a ella reciben el nombre de contraiones, mientras que los aniones acompañantes se denominan coiones. Si se trata de una superficie cargada positivamente los contraiones son los aniones de la solución, y los coiones son los cationes de la solución.
Superficies cargadas
La distribución de los sitios de carga en los minerales es de vital importancia en la adsorción de los contraiones y de las moléculas de agua.
Cuando las láminas de mineral son neutras, los oxígenos basales son capaces de actuar como bases de débiles : donan o aportan electrones formando enlaces débiles con los complejos superficiales acuosos.
Pero a medida que se incrementan las sustituciones isomórficas dentro de las láminas de silicato se genera exceso de carga negativa en la superficie, lo cual lleva a los oxígenos a actuar como bases fuertes de Lewis formando complejos cada vez mas estables con moléculas de agua (dipolo) a través de lainteracción tipo puente hidrógeno.
Hidratación de arcillas
La hidratación de las arcillas involucra la adsorción de moléculas de agua sobre su superficie, lo cual puede ocurrir a través de:
- hidratación de los cationes de intercapa
- interacción de la superficie del mineral con las moléculas de agua y con los cationes
- actividad (contenido) de agua presente.
A partir de las cargas desarrolladas sobre la superficie del mineral (habitualmente negativas) se produce la adsorción de cationes, que se comportan como los principales centros hidrofílicos sobre la superficie basal de las láminas de silicato. Estos cationes se asocian con el agua de tal modo que pueden formar dos clases diferentes de complejos de hidratación, que reciben distintos nombres:
- complejo de esfera interior o interna (A)
- complejo de esfera exterior o externa (B)
- complejo de esfera interior: se encuentra directamente unido a la superficie del mineral por un lado, mientras que por el otro se rodea de moléculas de agua
- complejo de esfera exterior: el catión se encuentra rodeado de moléculas de agua (formando un complejo), e interactua con el mineral a través de sus ligandos (agua).
- Una tercera forma de asociarse resulta al ubicarse más alejado de la superficie y poder difundir con facilidad.
El tipo de complejo de hidratación formado depende de la afinidad existente entre el ión y el agua.
En el caso de los cationes, cuya densidad de carga (relación entre carga y volumen que ocupa) resulta siempre mas elevada que la de los aniones, la hidratación es más efectiva. Sin embargo, un catión como el potasio se liga en forma directa a la superficie de las arcillas sin interponer moléculas de agua.
Como consideramos en este caso superficies cargadas negativamente, son los cationes los que se encuentran asociados a ella, por lo tanto los complejos de hidratación formados serán del tipo :
M+z ® M(H2O)n+z
Puede existir una primera esfera de hidratación, la cantidad de moléculas de agua asociadas en ella se denomina número de coordinación (NC), sin embargo, la globalidad de moléculas de agua que interactuan fuertemente con el ión es casi siempre un número diferente al NC, y se designa como número de hidratación NH.
En el caso particular del catión potasio, con una pequeña D G hid y NH, se liga en forma directa a la superficie del mineral, formando complejo de hidratación de esfera interna. Este hecho, sumado al tamaño del ión, que le permite encajar perfectamente en la cavidad hexagonal formada por los oxígenos apicales , le confiere a los sistemas en los que predomina como catión, características diferenciadas de los restantes cationes monovalentes. En algunos casos inclusive el comportamiento del sistema en su conjunto se asemeja al que produce un ión como el calcio.
Se formarán complejos de hidratación muy débiles en el caso de tener cationes alcalinos o aniones halogenuros.
Cuando en minerales como las esmectitas se encuentran cationes divalentes en su intercapa, el complejo de hidratación formado es capaz de mantener unidas varias láminas adyacentes: estos sistemas reciben el nombre de cuasicristales.
Cuando se forma un ordenamiento de láminas de esmectita separadas entre si sólo por el solapamiento de sus dobles capas eléctricas, el sistema se denomina tactoide. Esto ocurre preferencialmente en caso de tener cationes monovalentes pequeños en el sistema.
A pesar que tactoides y cuasicristales consisten en un agrupamiento casi paralelo de varias láminas de esmectita, se diferencian entre si:
- la separación entre láminas es mayor en los tactoides
- en un cuasicrital las láminas permanecen unidas por fuerzas electrostáticas debidas a la interacción de los complejos de hidratación de los cationes, los tactoides por otro lado, mantienen su integridad a través de la repulsión de largo alcance originada por la doble capa eléctrica.
- en los cuasicristales, la doble capa difusa puede desarrollarse sólo en la superficie externa.
La presencia de cationes mono o divalentes produce marcada diferencia en las cantidades de agua adsorbida, y por lo tanto, en la expansión entre láminas.
La formación de una doble capa eléctrica sobre la superficie del mineral hace que surjan fuerzas repulsivas que tienden a mantener dispersos este tipo de materiales cuando se encuentran suspendidos en el agua.
La presencia de contraiones de diferente densidad de carga y en diferentes concentraciones puede modificar considerablemente las fuerzas repulsivas entre las partículas de mineral:
Cuando las concentraciones de electrolito son elevadas, favorecen la compresión de la doble capa eléctrica, disminuyendo el alcance de las fuerzas repulsivas, favoreciendo así una rápida coagulación.
A medida que se agregan iones de mayor densidad de carga, se produce mayor compresión de la doble capa eléctrica, favoreciendo así una rápida coagulación.
En forma independiente a lo que sucede con las fuerzas repulsivas, las partículas de mineral se atraen debido a la existencia de fuerzas atractivas de tipo van der Waals y fuerzas de dispersión.
Finalmente, la posibilidad que el mineral se encuentre disperso o suspendido cuando está en contacto con un medio acuoso, dependerá de la relación existente entre fuerzas atractivas y repulsivas, manteniéndose coagulado si predominan las primeras y disperso si predominan las últimas.
Dentro de los fenómenos superficiales de importancia se encuentra el de adsorción: cuando un compuesto en fase gaseosa o disuelto (adsorbato) entra en contacto con una superficie sólida (adsorbente), parte del mismo se une a la superficie, formando una o más capas de moléculas asociadas al adsorbente.
Este fenómeno (adsorción) reduce el desequilibrio de fuerzas atractivas en la región superficial del sólido, disminuyendo la energía libre del sistema. A su vez, las moléculas pasan desde una fase desordenada a otra mas ordenada sobre la superficie del sólido, por lo tanto el proceso ocurre con disminución de la entropía.
Dado que:
D G = D H - TD S
D H debe ser siempre negativo (el término - TD S contribuye en este caso a hacer mas positivo el valor de D G) durante el proceso de adsorción: lo cual implica que siempre se trata de una reacción superficial exotérmica.
Las fuerzas que participan pueden ser de tipo Van der Waals, pareciéndose el proceso de adsorción al cambio de estado desde la fase gaseosa a la líquida para el adsorbato seleccionado. Cuando se establecen entre las partes enlaces químicos propiamente dichos el proceso se denomina quimisorción, con altas energías involucradas.
Las isotermas de adsorción son representaciones gráficas de la cantidad de adsorbato adherido sobre la superficie de 1 gramo de sólido, en función de la cantidad inicial o de la concentración en equilibrio del mismo, siempre a temperatura constante.
El tipo de curva obtenida puede representar uno o más de los siguientes fenómenos:
captación de una monocapa de adsorbato
captación en multicapas y
condensación en poros (o capilares)
La representación gráfica obtenida generalmente se ajusta a un tipo particular de
En forma específica, la atracción que se da entre el adsorbato y el adsorbente puede estar relacionada con distinto tipo de fuerzas atractivas:
- Electrostáticas: a partir de las interacciones con fuerzas electrostáticas los procesos son más o menos reversibles, y se los designa como intercambio iónico (se libera algo que está adsorbido a cambio que otra sustancia se pegue).
- de Van der Waals : en el caso que interactúen fuerzas de VW se denomina adsorción física (no necesita liberar algo adsorbido para que ocurra)
- químicas : en el caso de formación de un enlace covalente se denomina quimisorción, proceso que resulta muy poco reversible.
A partir de este fenómeno de adsorción superficial es que pueden utilizarse las arcillas en los procesos de clarificación de jugos y vinos, decoloración de aceites, retención de contaminantes coloreados procedentes de las industrias textiles, captación de pesticidas distribuidos en el suelo, el agua, etc.
4. Area Superficial
La evaluación de superficie de minerales arcillosos ha sido y es un tema de mucho interés en diversos campos, debido justamente a la amplia utilización de estos minerales, tal como se mencionó en el párrafo precedente. Es la superficie expuesta, superficie específica (S) o superficie activa, la que le confiere las propiedades físico – químicas de relevancia en aplicaciones industriales.
Los métodos utilizados en su evaluación consisten en ponerlos en contacto, desde una fase líquida o vapor, con una sustancia capaz de adsorberse sobre su superficie formando una monocapa. A partir de la evaluación de la cantidad de adsorbato unida y, conociendo el área que ocupa cada molécula, es posible determinar la superficie del mineral.
Se recurre a la utilización de la siguiente ecuación:
S= g ads N A
g arc PM
Donde, S : representa la superficie del mineral calculada en m2/g, N : número de Avogadro, A : área por molécula y g ads/g arc : relación entre los gramos de adsorbato y los de arcilla utilizados.
En caso de formarse más de una monocapa debe agregarse el valor n en el denominador correspondiente al número de monocapas establecidas sobre la superficie (n= 2, 3, etc).
Para establecer que existe formación de monocapa se cuenta con diversas herramientas:
en caso de determinar la isoterma de adsorción, a partir de la máxima cantidad adsorbida
por difracción de rayos X, a partir de la evaluación del
comparando los valores de S obtenidos por otros métodos, etc.
En el caso de las arcillas, donde sus áreas superficiales son muy grandes, no todos los métodos permiten evaluar la S total:
generalmente por adsorción de gases (nitrógeno, argón) solo es evaluable la S externa,
la presencia y formación de tactoides y cuasicristales puede producir modificaciones en la cantidad de adsorbato ligado,
algunos adsorbatos son capaces de dimerizarse sobre la S del mineral, por atracciones de van der Waals, por lo cual pueden sobreestimar el valor de S.
La S total de estos minerales se encuentra en el orden de los 700 a 1000 m2/g. En el caso que la superficie de borde tenga carga positiva (pH por debajo de pzc), al utilizar un adsorbato catiónico no es evaluada dentro de la S total.
Como se mencionó previamente, en minerales de tipo montmorillonítico, las sustituciones isomórficas generan cargas permanentes negativas, mientras que el pH del medio circundante conduce al desarrollo de cargas en los bordes que pueden ser: negativas (pH > pzc), positivas (pH < pzc) o neutras (pH = pzc).
Las cargas presentes definirán el tipo de iones que se adsorberán sobre la superficie. Cuando prevalecen superficies cargadas negativamente, son los cationes los que tenderán a acercarse a ella, tal como se muestra en el esquema de formación de doble capa eléctrica. En este caso, los cationes ubicados en los planos a y b , o región estructurada, son lo que podrían evaluarse como cationes intercambiables, aunque no siempre esto pueda suceder, ya que un catión es intercambiable siempre y cuando pueda ser removido por otro.
Los cationes orgánicos, que son atraidos sobre la superficie por fuerzas electrostáticas y también por fuerzas de van der Waals, generalmente son capaces de desplazar a los cationes inorgánicos que se encuentren en el sistema. Esta propiedad también se utiliza para evaluar superficie de minerales arcillosos.
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En este trabajo se presentan resultados de un estudio de propiedades ópticas del
silicio poroso nanoestructurado, y de su aplicación en cristales fotónicos
unidimensionales y otras multicapas dieléctricas complejas. En una primera etapa se
obtiene el índice de refracción complejo y el espesor de películas individuales a
partir de los espectros de reflectancia. Luego se emplea esta información para
diseñar y construir estructuras tipo reflectores de Bragg, microcavidades ópticas
simples o acopladas, y cuasicristales fotónicos basados en la secuencia Thue
Morse. La respuesta óptica de estas multicapas se compara con resultados de
simulaciones obtenidas a través del uso de matrices de transferencia óptica. Se
verificó experimentalmente la sensibilidad de la sintonía de los cristales fotónicos a
la presencia de vapores de solventes orgánicos, demostrando su potencial como
sensores. ESTE ARTICULO ES LA RESEÑA DE UN TRABAJO LEE MAS EN:http://www.metallum.com.br/17cbecimat/resumos/17Cbecimat-209-018.pdf
Los cuasicristales constituyen un nuevo tipo de estructuras ordenadas con características metaestables a temperatura ambiente. En general, en determinadas aleaciones, pueden obtenerse por enfriamiento rápido desde el estado líquido. Han demostrado poseer buenas propiedades para su aplicación como recubrimientos resistentes al desgaste y a la corrosión. En este sentido, desde hace unos años, se ha impulsado el desarrollo de su aplicación mediante técnicas de thermal spray, aunque no se han encontrado referencias de su aplicación mediante técnicas de láser. En este trabajo, se presenta la formación de cuatro recubrimientos de aleaciones con composiciones cuasicristalinas sobre un sustrato de aluminio, utilizando un láser continuo de CO2, con inyección simultánea del material en forma de mezcla de polvos. Los mismos fueron caracterizados por difracción de rayos X, microscopía electrónica de barrido y microdureza Vickers.
