Metal Glass – Estructura

Un vidrio es un material sólido que se produce cuando un líquido es enfriado sin cristalizar. En un metal, la estructura a escala atómica es muy regular, como se muestra en la fig 1.a.
Debido a que un vidrio se solidifica sin cristalizar, mantiene una estructura mucho más desordenada que recuerda el estado líquido pasado (fig 1.b).-

metal-glass_fig1

El ejemplo más familiar es la ventana de vidrio ordinaria, que se realiza principalmente de silicio y oxígeno. Pero, de hecho, una amplia gama de materiales se pueden producir en forma de vidrio, incluyendo metales, semiconductores, compuestos iónicos, y polímeros.-


Estructura del Metal Glass

El vidrio metálico (metal glass) suena a un oxímoron (consiste en armonizar dos conceptos opuestos en una sola expresión, formando así un tercer concepto), y en un modo lo es. Describe una aleación metálica con una estructura caótica. Mientras los átomos metálicos normalmente se arreglan en series ordenadas, o cristales, los átomos en un metal glass son un revoltijo desordenado, más bien como los átomos en un líquido o un vidrio. Aunque en sentido estricto un metal glass no es un líquido, porque los átomos se encuentran fijos en su lugar.-

Es esta estructura inusual lo que hace al metal glass una promesa. En aleaciones cristalinas metálicas, los átomos son ordenados dentro de regiones llamados “granos” (grain) , y las fronteras entre los granos son los puntos de debilidad en el material. Los metal glass sin embargo, no tienen ninguna frontera de grano, entonces son mucho más fuertes. Si golpeamos un metal cristalino con un martillo y este se doblará, absorbiendo parte de la energía del golpe, dándole paso a lo largo de las fronteras de granos. Pero los átomos en un metal amorfo se encuentran fuertemente embalados, y fácilmente regresan a su forma original después de un golpe (fig 2).-

Estos materiales carecen de granos cristalinos voluminosos, por lo que pueden ser fabricados en formas de tan sólo 10 nanómetros de ancho. Y su estructura parecida a la de un líquido significa que se derriten a bajas temperaturas, y pueden ser moldeados casi tan fácilmente como los plásticos.-

Metal Glass su Estructura

Los metales están entre los materiales más difíciles de convertir en vidrios. Esto ocurre porque cuando las aleaciones fundidas son enfriadas, ellas inevitablemente comienzan a cristalizarse con series ordenadas de átomos que nacen desde varios puntos en el líquido fundido.-

Pero con un control cuidadoso sobre la composición de la aleación y el tratamiento, una gran variedad de aleaciones pueden producirse en forma vidriosa.-

La estructura desordenada de los cristales les da propiedades únicas, el más distintivo es la transición del cristal. Un metal cristalino se derretirá a una temperatura específica cuando se lo calienta. Un vidrio gradualmente se ablanda, cambiando de sólido a líquido sobre una gama de temperatura. Esto puede ser muy útil para procesar metal glass en formas complejas, como se usa en los trabajos artesanales.-

En un cristal (fig 3.a), hay mucha regularidad o orden en las posiciones atómicas. En comparación, las posiciones atómicas en un vidrio (fig 3.b) son mucho más desordenadas.-

estructura metal vs vidrio

Existen varias cosas para destacar de estos modelos simples. En el cristal, el medio ambiente local alrededor de cada átomo es el mismo: Cada átomo tiene seis vecinos, todos a la misma distancia. (En tres dimensiones, cada átomo tendría doce vecinos.) En el vidrio, cada átomo tiene alrededor de seis vecinos, en promedio, pero algunos átomos tienen menos de seis, mientras que otros tienen más. Además, los átomos vecinos en torno a un átomo no están todos a la misma distancia, sin embargo se puede definir una distancia promedio entre los átomos cercanos. Los mismos principios básicos se aplican a los metal glass reales, pero la situación es más compleja porque  un metal glass suelen tener más de un tipo de átomo.


Podemos estudiar la estructura a escala atómica del metal glass utilizando algunas de las mismas técnicas empleadas para el estudio de materiales cristalinos. La técnica ampliamente utilizada es la difracción de rayos-X. Debido a su naturaleza ondulatoria, los rayos-x se difractaran del plano regularmente espaciado de los átomos del cristal, basándose en la Ley de Bragg:

metal-glass_fig3b

Donde θ es la mitad del ángulo de dispersión, λ es la longitud de onda de los rayos x, y d es la distancia entre los planos atómicos. En un experimento de difracción de rayos-x, la intensidad de los rayos-x difractados se mide en función de θ, como se muestra esquemáticamente en la siguiente figura:

metal-glass_fig4

Si la ley de Bragg se cumple, los rayos-x difractaran fuertemente y se registrará una gran intensidad. Debido a la naturaleza altamente ordenada de un cristal, esto sucederá sólo en unos pocos ángulos. Por lo tanto, el patrón de difracción de un cristal se compone de pocos picos agudos de difracción, como se muestra en la figura 5.-

metal-glass_fig5

La estructura atómica desordenada de un vidrio, por otra parte, conduce a un patrón de difracción de sólo unos pocos, amplia característica de dispersión, como se muestra en la parte inferior del patrón anterior.-


La diferencia en la estructura también puede ser vista en un microscopio electrónico. A continuación se muestran dos imágenes del microscopio electrónico de transmisión de alta resolución (HRTEM). En la imagen de la izquierda, se puede ver claramente el contraste muy ordenado asociado a la periodicidad de un cristal. En la imagen de la derecha, la cual es de un vidrio, no hay características periódicas.-

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Lamentablemente, sólo información limitada acerca de la estructura a escala atómica de los vidrios puede ser obtenida a partir de estas técnicas.

METAL GLASS

Metal Glass – Introducción y Fabricación
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Metal Glass – Propiedades
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