Los materiales amorfos, ni tan ordenados como los cristales ni tan desordenados como los líquidos, están dando origen a nuevos avances tecnológicos, como demuestra el carburo de silicio amorfo (a-SiC), con potencial de impactar en el mundo de la ciencia de los materiales.
El a-SiC se presentó recientemente como parte de una investigación de la Universidad Tecnológica de Delft, en los Países Bajos, liderada por el profesor asociado y consultor estratégico para la industria de los microchips, Richard Norte.
Y es que el carburo de silicio amorfo, además de ofrecer una excepcional resistencia, demostró propiedades mecánicas cruciales para el aislamiento de vibraciones en un microchip. Por lo tanto, el carburo de silicio amorfo es particularmente adecuado para fabricar sensores de microchips ultrasensibles.
Pero además de los microchips este nuevo material, que se compara con la resistencia de los diamantes o el grafeno y cuenta con una resistencia al límite elástico diez veces mayor que el Kevlar, conocido por su uso en chalecos antibalas, ofrece un sinfín de aplicaciones potenciales: desde células solares avanzadas, hasta tecnologías pioneras en exploración espacial y secuenciación de ADN.
Por ello las ventajas de la resistencia de este material, combinadas con su escalabilidad, lo hacen excepcionalmente prometedor.
Macromoléculas
Cabe resaltar que un material amorfo es un sólido cuyas moléculas no están dispuestas en una red cristalina, sino en una distribución cualquiera, sin seguir ninguna estructura.
Básicamente, las moléculas están distribuidas de forma igual de aleatoria que en la fase líquida, pero son inmóviles.
En general, una sustancia amorfa pasa a la fase sólida cuando las moléculas pierden su libre movilidad por enfriamiento y, en algún momento, ya no pueden abandonar su posición. La mayoría de las sustancias amorfas están formadas por macromoléculas, que ya presentan una alta viscosidad en la masa fundida y que al enfriarse se vuelven tan inmóviles, que ya no pueden obedecer a ninguna ordenación.
Esto es especialmente aplicable a los plásticos, pues a menudo son parcialmente cristalinos porque forman una especie de red cristalina en zonas concretas.
También son amorfos los materiales con moléculas ajenas adjuntas que perturban la formación de la red cristalina en la sustancia de base. Por ejemplo, la estructura amorfa del vidrio parte de este principio. La absorción de la luz se basa en la excitación de resonancia de una red cristalina.
Richard Norte explica: “Para entender mejor la característica crucial de amorfo piense que la mayoría de los materiales están formados por átomos dispuestos en un patrón regular, como una torre de Lego intrincadamente construida. Estos materiales se denominan cristalinos, como el diamante, que tiene átomos de carbono perfectamente alineados, lo que contribuye a su famosa dureza. Sin embargo, los materiales amorfos se asemejan a un conjunto de Legos apilados al azar, donde los átomos carecen de una disposición coherente. Pero, contrariamente a lo esperado, esta aleatoriedad no se traduce en fragilidad. De hecho, el carburo de silicio amorfo es un testimonio de la fuerza que emerge de esa aleatoriedad, ya que alcanza una mayor resistencia de hasta 10 GigaPascal (GPa)”.
Para comprender el equivalente de esta resistencia, indica el científico, “es necesario imaginar el intentar estirar un trozo de cinta adhesiva hasta que se rompa. Ahora, simulando la tensión a la tracción equivalente a 10 GPa, sería necesario colgar alrededor de diez coches de tamaño medio uno tras otro de esa tira, antes de que se rompa”.
Ventajas
Gerardo García Naumis, profesor en el Departamento de Sistemas Complejos del Instituto de Física de la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM), señala las ventajas que tiene utilizar un material amorfo. La primera, indica, “es que se puede diseñar el orden atómico local sin las restricciones debidas a la simetría que existe en un cristal. Esto permite obtener nuevas configuraciones de enlaces químicos y órdenes locales; así se pueden crear nuevos materiales con propiedades químicas y electrónicas convenientes a una aplicación dada”.
La segunda ventaja fundamental, agrega, es de carácter económico. “Para hacer crecer cristales, por ejemplo, normalmente se requiere mucho tiempo y ambientes muy controlados, por lo que el costo es muy alto. Los materiales amoformos se producen de manera muy sencilla y no requieren tanto control durante su manufactura. Estas ventajas se han traducido en la idea de usar materiales vítreos, como los semiconductores amorfos, para construir circuitos para computadoras y celdas solares mucho más baratas”.
Pruebas
Para probar la resistencia a la tracción del carburo de silicio amorfo los investigadores utilizaron un método innovador. En lugar de los métodos tradicionales que pueden provocar irregularidades en el material debido al anclaje, utilizaron tecnología de microchip. Al hacer crecer y suspender las capas de carburo de silicio amorfo sobre un sustrato de silicio, aprovecharon la geometría de las nanohebras para generar altas fuerzas de tracción.
Las nanohebras son bloques de construcción fundamentales, la base sobre la cual se construyen estructuras colgantes más complicadas. Un alto límite elástico en una nanohebra se traduce en resistencia del material en su forma más básica.
Y lo que por fin distingue a este material es su escalabilidad. El grafeno, una sola capa de átomos de carbono, es conocido por su impresionante resistencia, pero es difícil de producir en grandes cantidades. El diamante, aunque inmensamente fuerte, es raro en la naturaleza o su síntesis es costosa. En cambio, el carburo de silicio amorfo puede producirse a escala de oblea, ofreciendo grandes láminas de este material increíblemente robusto.
¿Qué son los materiales de alta resistencia?
Aquellos que cuentan con una resistencia mecánica superior en comparación con los materiales convencionales. Son diseñados para soportar cargas pesadas, tensiones y condiciones ambientales extremas sin deformarse, entre otras cuestiones. La alta resistencia se logra mediante diversas técnicas, como la modificación de su composición química, la mejora de su estructura cristalina, la inclusión de refuerzos internos o el uso de tecnologías avanzadas de fabricación.
Fuente: MasScience