La ciencia de materiales tiene su base científica en la física del estado sólido y su desarrollo ha sido fundamental en el campo de la microelectrónica al posibilitar el desarrollo de materiales semiconductores.
Uno de los objetos de estudio principales de la Física de Estado Sólido son los cristales ya que la periodicidad de los átomos en un cristal, facilita el modelado matemático y los materiales cristalinos tienen generalmente características mecánicas, ópticas, eléctricas y magnéticas que pueden ser aprovechados para diferentes propósitos industriales.
Definiciones
Empezaremos este pequeño viaje con algunos conceptos fundamentales, los cuales profundizaré más adelante en futuros artículos.
Materia
El concepto de materia puede llevarnos páginas enteras de debate pero a fines prácticos, llamamos materia a todo aquello que posee masa y volumen. A priori, es lo que podemos ver, oler, tocar, oír o saborear. Toda la materia está formada por átomos y moléculas (incluso aquello de lo que están hechos los átomos y las moléculas: protones, neutrones y electrones… y a su vez, de lo que están hechos estos últimos, conocida como materia ordinaria, formada por las partículas elementales tales como: fermiones, quarks y leptones). En física no existe una definición exacta de materia y el término se utiliza junto a algún modificador que la pone en contexto, por ejemplo: materia oscura, materia elemental, materia ordinaria, antimateria, etc. Generalmente se define a la Materia como: “cualquier entidad traducible a un fenómeno que se pueda percibir, que se propaga a través del espacio-tiempo, (a una velocidad menor o igual a la velocidad de la luz) y que se le pueda asociar cierta energía”.
Cuerpo y sustancia
Independientemente de su forma, tamaño o estado, los cuerpos están compuestos de materia, pero no todos están compuestos por el mismo tipo de materia, sino que están compuestos de sustancias diferentes. Para examinar el tipo de sustancia que compone un cuerpo cualquiera, en un laboratorio se procede a dividirlo hasta llegar a sus moléculas y éstas a su vez a sus átomos; (partículas que mantienen todas las propiedades del cuerpo completo). Este procedimiento de dividir un cuerpo en algo más pequeño hasta llegar al átomo parece una de esas conspiraciones universales de bar pero no, es un método histórico y no ha cambiado, solo mejoraron los instrumentos para llevar a cabo dichas tareas, gracias a los innumerables avances tecnológicos motivados por las necesidades científicas. Dichos instrumentos van desde los microscopios, espectroscopios hasta complejos aceleradores de hadrones… Sí, esos aparatos gigantescos que están bajo tierra en algunos países ricos…
Propiedades de la materia
El tamaño, la forma, la longitud, el peso y la temperatura son cualidades generales de los cuerpos. Todos los cuerpos tienen masa, peso y volumen; por lo tanto, tienen o pueden tener una forma. Ésta es una propiedad o cualidad general, pero no todas las sustancias están sujetas a las mismas propiedades aunque tengan la misma forma y tamaño. Son las propiedades particulares o características de cada sustancia, independientemente de su tamaño o forma las que determinan su uso. Ejemplo típico es el de los sólidos cristalinos “sal y azúcar”.
Transformaciones de la materia
Las transformaciones que pueden producirse en la materia pueden ser físicas o químicas: Las primeras son aquellas en las que se mantienen las propiedades originales de la sustancia ya que sus moléculas no se modifican. Las segundas son aquellas en las que las sustancias se transforman en otras, debido a que los átomos que componen las moléculas se separan formando nuevas moléculas.
Y hablando de las transformaciones de la materia…
Estados de la materia
En el Planeta Tierra la materia se presenta esencialmente bajo tres formas o estados de agregación diferentes: el estado sólido, el líquido y el gaseoso. Cada uno de estos estados presenta propiedades directamente observables que le son características.
- Los sólidos poseen una forma y volumen propios. (Sólido es un término que procede del latín tardío solĭdus: “moneda de oro romana”). Se caracteriza porque opone resistencia a cambios de forma y de volumen. Sus partículas se encuentran juntas y también se ven correctamente ordenadas. Las moléculas de un sólido tienen una gran cohesión y adoptan formas bien definidas.
- Los líquidos adoptan la forma del recipiente que los contiene y poseen volumen propio. (Líquido es un término que procede del latín liquĭdus: “que fluye”). El líquido es un estado de la materia intermedio entre el estado sólido y el gaseoso, se presenta en forma de fluido altamente incompresible, lo que significa que su volumen es casi constante en un rango grande de presión.
- Los gases están compuestos principalmente por moléculas no unidas, expandidas y con poca fuerza de atracción, esto hace que no tengan volumen ni forma definida y se expanden hasta llenar el recipiente que los contiene. (La palabra fue inventada por Jan Baptista van Helmont en el siglo XVII, viene de chaos: palabra que deriva del idioma griego, Χάος Kháos o cháos que significa impredecible).
Otros estados de la materia
Los estados constituyen las formas en que se presenta la materia en condiciones normales de presión y temperatura. Sin embargo, bajo condiciones extremas, la materia modifica su composición y propiedades y se aleja de las leyes que describen el comportamiento de sólidos, líquidos y gases.
- El plasma es considerado como el cuarto estado de la materia, tiene abundante presencia en el universo. (Plasma viene del griego πλάσμα que significa “formación”). Se trata de una masa gaseosa fuertemente ionizada que al ser sometida a temperaturas extremadamente elevadas, sus átomos se han despojado de su envoltura de electrones y coexisten con los núcleos atómicos en un estado de agitación.
Existen otros estados que solo se producen en un laboratorio con ayuda de maquinaria sofisticada. Estos estados son: El Condensado de Bose-Einstein, el Condensado de Fermi y el Cristal líquido.
Se cree que también son posibles otros estados, (algunos de momento teóricos), como la Materia degenerada, la Materia fuertemente simétrica, la Materia débilmente simétrica, la Materia extraña o materia de quarks (plasma de quarks-gluones), el Superfluido polaritón, la Materia fotónica, el Líquido de spin cuántico…
Cambios de estados de la materia
Son los procesos en los que la materia cambia a de un estado a otro manteniendo una semejanza en su composición, es decir, en todas las transformaciones las sustancias no se transforman en otras sustancias nuevas, solo cambia su estado físico.
Fusión
Es un proceso físico progresivo en el cual una sustancia en estado sólido pasa al estado líquido. Este proceso se lleva a cabo por medio del calentamiento y técnicamente se llama proceso endotérmico puesto que absorbe energía en forma de calor para llevar a cabo el cambio de estado. Hay un punto en que la temperatura permanece constante.
El “punto de fusión” es la temperatura a la cual el sólido se funde; su valor es único para cada sustancia. Las moléculas sometidas a energía en forma de calor se moverán de manera independiente, transformándose en líquido.
Solidificación
Es un proceso físico regresivo en el cual una sustancia en estado líquido pasa al estado sólido. Este proceso se lleva a cabo por medio del enfriamiento y técnicamente se llama proceso exotérmico puesto que libera energía en forma de calor para llevar a cabo el cambio de estado.
El “punto de solidificación” es la temperatura a la cual el líquido se solidifica y permanece constante durante el cambio y coincide con el punto de fusión si se realiza de forma lenta.
Vaporización
Es un proceso físico progresivo en el cual una sustancia en estado líquido pasa a estado gaseoso. Este proceso se lleva a cabo por medio del calentamiento y técnicamente se llama proceso endotérmico puesto que absorbe energía en forma de calor para llevar a cabo el cambio de estado.
El “punto de ebullición” de una sustancia es la temperatura a la cual la presión de vapor del líquido es igual a la presión que rodea al líquido. A partir de ese punto, cuando la temperatura de la totalidad del líquido iguala al punto de ebullición, el líquido continúa calentándose y empieza a absorber calor pero sin aumentar la temperatura hasta que la totalidad de la masa pasa al estado gaseoso.
Condensación
Es un proceso físico regresivo en el cual una sustancia en estado gaseoso pasa al estado líquido. Es el proceso inverso a la vaporización.
Sublimación
Es un proceso físico progresivo en el cual una sustancia en estado sólido pasa al estado gaseoso directamente sin pasar por el estado líquido.
Sublimación inversa
Es un proceso físico regresivo en el cual una sustancia en estado gaseoso pasa al estado sólido directamente sin pasar por el estado líquido.
Ionización
Es un proceso físico en el cual una sustancia en estado gaseoso pasa a un estado plasmático.
Des-ionización
Es un proceso físico en el cual una sustancia en estado plasmático pasa a estado gaseoso.
