OTROS MATERIALES Y SUS FUERZAS DE ENLACE; METALES Y POLIMEROS
Materiales
• Presentan región elástica, región plástica y fractura
• Características mecánicas generales: resistentes, dúctiles (maleables) y con fractura en la región plástica.
Fuerzas De Enlace
El tipo de enlace en un material determina críticamente el grado de deformación elástica o plástica del mismo, p. ej. La posibilidad de que los átomos abandonen sus posiciones de equilibrio bajo la aplicación de tensiones externas
•El enlace metálico (no direccional) permite un desplazamiento sencillo de las dislocaciones bajo pequeñas tensiones aplicadas y en cualquier dirección
•La carga eléctrica en un metal está deslocalizada y compartida por todo el material, luego no supone un impedimento para el desplazamiento de los átomos
Tipos de materiales
Por conveniencia la mayoría de los materiales de la ingeniería están divididos
Materiales metálicos .
Estos materiales son sustancias inorgánicas que están compuestas de uno o mas elementos metálicos , pudiendo contener también algunos elementos no metálicos , ejemplo de elementos metálicos son hierro, cobre , aluminio , níquel y titanio mientras que como elementos no metálicos podríamos mencionar al carbono.
Materiales Cerámicos
Los materiales de cerámica , como los ladrillos , el vidrio la loza , los aislantes y los abrasivos , tienen escasas conductividad tanto eléctrica como térmica y aunque pueden tener buena resistencia y dureza son deficientes en ductilidad, conformabilidad y resistencia al impacto.
Polímeros , en estos se incluyen el caucho (el hule), los plásticos y muchos tipos de adhesivos . Se producen creando grandes estructuras moleculares a partir de moléculas orgánicas obtenidas del petróleo o productos agrícolas.
Enlaces existentes para su configuración.
Enlaces metálicos
En metales en estado sólido, los átomos se encuentran empaquetados relativamente muy juntos en una ordenación sistemática o estructura cristalina. Por ejemplo la disposición de los átomos de cobre en el cobre cristalino consiste que los átomos están tan juntos que sus electrones externos de valencia son atraídos por los núcleos de sus numerosos vecinos. En el caso del cobre sólido cada átomo está rodeado por otros 12 átomos más próximos. Los electrones de valencia no están por lo tanto asociados férreamente a un núcleo en particular y así es posible que se extiendan entre los átomos en forma de una nube electrónica de carga de baja densidad o gas electrónico. Los átomos en un enlace metálico sólido se mantienen juntos por enlace metálico para lograr un estado de más baja energía (o más estable). Para el enlace metálico no hay restricciones sobre pares electrónicos como en el enlace covalente o sobre la neutralidad de carga como en el enlace iónico. En el enlace metálico los electrones de valencia más externos de los átomos son compartidos por muchos átomos circundantes y de este modo, en general , el enlace metálico no resulta direccional Fuerzas de van der Waals Excepto en un gas muy dispersado las moléculas ejercen atracciones y repulsiones entre sí . Estas proceden fundamentalmente de interacciones dipolo-dipolo. Las moléculas no polares se atraen entre sí mediante interacciones débiles dipolo-dipolo llamadas fuerzas de London que surgen como consecuencia de dipolos inducidos en una molécula por otra. En este caso los electrones de una molecula son debilmente atraídos hacia el nucleo de otra pero entonces los electrones de esta son repelidos por los electrones de la primera. El resultado es una distribución desigual de la densidad electrónica y, en consecuencia, un dipolo incluido. Las diferentes interacciones dipolo-dipolo (atractivas y repulsivas) se denominan conjuntamente fuerzas de van der Waals . La distancia entre las moléculas juega un importante papel en la intensidad de dichas fuerzas. Se llama radio de van der Waals a la distancia a la que la fuerza atractiva es máxima .Cuando dos átomos se aproxima a distancias mas cortas que el radio de van der Waals , se desarrollan fuerzas repulsivas entre los núcleos y las capas electrónicas . Cuando la distancia entre dos moléculas es mayor al radio de van der Waals las fuerzas atractivas entre las moléculas disminuyen.
Enlace iónico
Los enlaces iónicos se pueden formar entre elementos muy electropositivos (metálicos) y elementos muy electronegativos (no metales) . En el proceso de ionización los electrones son transferidos desde los átomos de los elementos electropositivos a los átomos de los elementos electronegativos , produciendo cationes cargados positivamente y aniones cargados negativamente . Las fuerzas de enlace son debidas a la fuerza de atracción electrostática o culombiana entre iones con carga opuesta . Los enlaces ionicos se forman entre iones opuestamente cargados por que se produce una disminución neta de la energía potencial para los iones enlazados
Enlace covalente
Un segundo tipo de enlace atómico primario es el enlace covalente . Mientras el enlace iónico involucra átomos muy electropositivos y electronegativos , el enlace covalente se forma entre átomos con pequeñas diferencias de electronegatividad y ubicados muy próximos en la tabla periódica . En el enlace covalnete los átomos generalmente comparten sus electrones externos s y p como otros átomos , de modo que cada átomo alcanza la configuración de gas noble. En un enlace covalente sencillo cada uno de los átomos contribuye con un electrón a la formación del par de electrones de enlace , y las energías de los dos átomos asociadas con el enlace covalente son menores (mas estables) como consecuencia de la interacción de los electrones . En el enlace covalente , se pueden formar enlaces mútiples de pares de eletrones por un átomo consigo mismo o con otros átomos.
Metales. Tienen como característica una buena conductividad eléctrica y térmica, alta resistencia, rigidez, ductilidad. Son particularmente útiles en aplicaciones estructurales o de carga. Las aleaciones (combinaciones de metales) conceden alguna propiedad particularmente deseable en mayor proporción o permiten una mejor combinación de propiedades.
Polímeros. Son grandes estructuras moleculares creadas a partir de moléculas orgánicas. Tienen baja conductividad eléctrica y térmica, reducida resistencia y debe evitarse su uso a temperaturas elevadas. Los polímeros termoplásticos, en los que las cadenas moleculares no están conectadas de manera rígida, tienen buena ductibilidad y conformabilidad; en cambio, los polímeros termoestables son más resistentes, a pesar de que sus cadenas moleculares fuertemente enlazadas los hacen más frágiles. Tienen múltiples aplicaciones, entre ellas en dispositivos electrónicos.
Conducción En Polímeros
Los polímeros tienen una estructura de banda con una gran brecha de energía, lo cual indica que su conductividad eléctrica es bien baja. Esto se debe a que los electrones de valencia en estos tipos de materiales toman parte en enlaces covalentes. Los polímeros por ello se utilizan en aplicaciones en los cuales se requieren en asilamiento eléctrico para evitar cortos circuitos y descargas; lo polímeros en pocas palabras consisten en un buen material eléctrico. No obstante debido a la baja conductividad en muchos casos pueden acumular electricidad estática. Los polímeros son malos conductores, son mejor aplicables para funciones de trasmisión de bajo voltaje, o mas bien para carácter aislante. Se puede aumentar su conductividad y disminuir la resistividad considerablemente por medio de dopado, es decir introducción de partículas de material conductor en su micro estructura. Sus aplicaciones son variadas principales en la biomedicina.
Tipos de políméros
a) termoplásticos: cadenas largas unidas por enlaces secundarios (van der Waals, puentes de hidrógeno,…). Alta deformación y plasticidad. Al elevar la temperatura se deforman plásticamente pero recuperan su forma al enfriarse
b) Elastómeros: cadenas largas unidas por enlaces secundarios y algún enlace primario (covalente). Son deformables plásticamente pero no recuperan su forma inicial tras un calentamiento
c) Termoestables: red tridimensional formada por cadenas unidas entre sí por fuertes enlaces primarios. Rígidos y no deformables. El calentamiento produce deformaciones irreversibles
Fibras ópticas
Son hebras finas de materiales como el vidrio, sílice fundido o plástico. Su diámetro oscila entre 0,05cm y 0,6cm. Son muy utilizados en medicina.
La transmisión de la luz se produce por reflexión interna, para que sea total se recubre la fibra con material de índice de refracción menor que el de la fibra.
También existen los censores de fibra óptica (optrodos). Esto permite instrumentos para la medida in-situ.
Si queremos detectar la contaminación de la bahía de Cádiz. Tenemos una fuente de radiación que se trasmite a través de la fibra óptica, al final se encuentra un reactivo que va a reaccionar con el analito en cuestión, esta reacción va a provocar una variación de la radiación incidente, que se va a recoger a través de otra fibra óptica hasta el detector.