Física del estado sólido: propiedades, estructura, ejemplos
La física del estado sólido es la rama de la física que trata del estudio de la materia cuando está en un estado de baja energía, llamado estado sólido, mediante el uso de teorías físicas como la mecánica cuántica, la física estadística, la termodinámica, el electromagnetismo y la cristalografía.
En el estado sólido la energía de atracción intermolecular es menor que la energía térmica, por lo tanto las moléculas apenas pueden vibrar en torno a posiciones más o menos fijas. Algunos sólidos son amorfos a nivel molecular, mientras que otros tienen estructura más ordenada, como el caso de los cristales.
Algunos ejemplos de materiales sólidos son la arena de sílice, el vidrio, el grafito (carbón mineral), la sal común, la azúcar refinada, el hierro, el cobre, la magnetita, el cuarzo y muchísimos más.
Índice del artículo
- 1 Características del estado sólido
- 2 Propiedades macroscópicas y microscópicas
- 3 Estructura de los sólidos
- 4 Ejemplos de estado sólido
- 5 Temas de interés
- 6 Referencias
Los materiales sólidos tienen como característica principal que, en condiciones normales, es decir si no están sometidos a grandes esfuerzos externos, mantienen su volumen y su forma.
Esto contrasta con los líquidos que, aunque pueden mantener su volumen, cambian su forma adaptándose al recipiente que los contiene. El contraste es aún mayor con los gases, ya que estos pueden comprimirse o expandirse cambiando su volumen y su forma.
Sin embargo, los sólidos sí pueden variar su volumen cuando son sometidos a cambios de temperatura suficientemente amplios como para tener efectos notables, pero sin que ocurra una transición de fase a otro estado de la materia.
Los sólidos pueden ser amorfos en su estructura molecular interna. Por ejemplo, el vidrio es un material amorfo, incluso considerado por muchos como un líquido sobre-enfriado. Sin embargo, el cuarzo y el diamante tienen una estructura cristalina, es decir sus átomos siguen arreglos regulares y espacialmente periódicos.
La física del estado sólido estudia la relación entre las propiedades a escala macroscópica (miles o millones de veces mayor a la escala atómica) y las propiedades a la escala molecular o atómica.
En un sólido, los átomos están muy cercanos unos de otros y la interacción entre ellos determina sus propiedades a escala macro, tales como sus características mecánicas: la rigidez y la ductilidad, e igualmente sus propiedades térmicas, magnéticas, ópticas y eléctricas.
Por ejemplo, la conductividad, la capacidad calorífica y la magnetización son propiedades macroscópicas de los sólidos que dependen directamente de lo que ocurra a escala molecular o atómica.
Un ejemplo claro de la importancia de la física de sólidos son los semiconductores. La comprensión de sus propiedades a nivel microscópico permite desarrollar dispositivos como los transistores, los diodos, los circuitos integrados y las luces led, solo por nombrar algunas aplicaciones.
Dependiendo de las condiciones de presión y temperatura, así como de los procesos seguidos durante su formación, los materiales sólidos adquieren determinada estructura microscópica.
Por ejemplo, materiales tan disímiles como el grafito y el diamante están compuestos únicamente de átomos de carbono. Pero sus propiedades son completamente diferentes, porque a pesar de estar compuestos del mismo tipo de átomos, sus estructuras microscópicas difieren enormemente.
Los especialistas en metalurgia saben que, partiendo de un mismo material, con tratamientos térmicos diferentes, se obtienen resultados muy distintos en la elaboración de piezas, como por ejemplo cuchillos y espadas. Distintos tratamientos conducen a estructuras microscópicas distintas.
Dependiendo de su formación, los sólidos pueden presentar básicamente tres tipos de estructuras microscópicas:
- Amorfos, si no hay regularidad espacial en el arreglo de átomos y moléculas.
- Monocristalinos, si los átomos están dispuestos en un orden espacial, formando arreglos o celdas que se repiten indefinidamente en las tres dimensiones.
- Policristalinos, compuestos por varias regiones, no simétricas entre sí, donde cada región tiene su propia estructura monocristalina.
La física del sólido parte de principios fundamentales para explicar las propiedades de los materiales sólidos, como son la conductividad térmica y la conductividad eléctrica.
Por ejemplo, mediante la aplicación de la teoría cinética a los electrones libres de un metal, se tratan como si fuesen un gas.
Y bajo la suposición de que los iones forman un sustrato inmóvil, es posible explicar tanto la conductividad eléctrica como la conductividad térmica de los metales. Aunque, en la versión clásica de este modelo, la conductividad térmica de los electrones libres es mayor a la que se obtiene de las mediciones en materiales conductores.
El inconveniente se soluciona introduciendo las correcciones cuánticas al modelo de electrones libres de un sólido conductor. Además, si se supone que los mismos siguen la estadística de Fermi-Dirac, entonces las predicciones teóricas concuerdan más precisamente con las mediciones experimentales.
Sin embargo, el modelo de electrones libres no puede explicar la conductividad térmica de sólidos que no sean metales.
En este caso hay que tomar en cuenta la interacción de los electrones con la red cristalina, la cual se modela mediante un potencial periódico en la ecuación de Schrodinger. Este modelo predice bandas de conducción dependientes de la energía de los electrones y explica la conductividad eléctrica en los sólidos semiconductores, un tipo de sólido intermedio entre aislante y metal conductor.
La física del estado sólido ha evolucionado al punto que ha permitido el descubrimiento de nuevos materiales como los nanomateriales sólidos con propiedades únicas y extraordinarias.
Otro caso de ejemplo en el avance de la física de sólidos es el desarrollo de los materiales bidimensionales o monocapa, seguido por aplicaciones diversas como las celdas fotovoltaicas y el desarrollo de circuitos integrados semiconductores.
El ejemplo clásico de material bidimensional es el grafeno, que no es otra cosa que grafito de una sola capa y el cual se obtuvo por primera vez en el año 2004.
Otros ejemplos de sólidos bidimensionales son: el fosforeno, el plumbeno, el siliceno y germaceno.
La superconductividad fue descubierta en 1911 por el holandés Kamerlingh Onnes (1853-1926) cuando sometió a temperaturas muy bajas (del orden de los 4 K) materiales conductores como el mercurio, el estaño y el plomo.
La superconductividad tiene importantes aplicaciones tecnológicas, como los trenes de levitación magnética, siempre y cuando la misma pueda obtenerse a temperaturas elevadas (idealmente a temperatura ambiente).
La física del sólido está en esta búsqueda de superconductores, entendiéndose por alta temperatura por encima de la temperatura del nitrógeno líquido (77 K), una temperatura relativamente fácil y barata de obtener. Hasta la fecha el superconductor de más alta temperatura es un sólido cerámico que alcanza este estado a una temperatura de 138 K o -135ºC.
Los sólidos fuertemente correlacionados son compuestos fermiónicos pesados que presentan propiedades inusuales y de gran potencial tecnológico. Por ejemplo, pueden ser manipulados para pasar de aislantes a conductores mediante campos magnéticos.
El desarrollo de este tipo de sólidos ha permitido también que los dispositivos de almacenamiento magnético de información hayan incrementado exponencialmente su capacidad en las últimas décadas.
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