Cristal coloidal
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Un cristal coloidal es una matriz ordenada de partículas coloidales y materiales de grano fino análogos a un cristal estándar cuyas subunidades repetidas son átomos o moléculas. [1] Un ejemplo natural de este fenómeno se puede encontrar en el ópalo gema , donde esferas de sílice asumen una estructura periódica localmente compacta bajo compresión moderada . [2] [3] Las propiedades a granel de un cristal coloidal dependen de la composición, el tamaño de las partículas, la disposición del empaque y el grado de regularidad. Las aplicaciones incluyen fotónica , procesamiento de materiales y el estudio del autoensamblaje.y transiciones de fase .

Una colección de pequeños cristales coloidales 2D con bordes de grano entre ellos. Partículas de vidrio esféricas (10 μm de diámetro) en agua.
La conectividad de los cristales en los cristales coloidales de arriba. Las conexiones en blanco indican que la partícula tiene seis vecinos igualmente espaciados y, por lo tanto, forma parte de un dominio cristalino.
Definición IUPAC
Ensamblaje de partículas coloides con una estructura periódica que se
ajusta a las simetrías familiares de los cristales moleculares o atómicos.Nota : Pueden formarse cristales coloidales en un medio líquido o durante el
secado de la suspensión de partículas. [4]

Introducción

Un cristal coloidal es una matriz muy ordenada de partículas que se pueden formar en un rango largo (hasta aproximadamente un centímetro). Las matrices como esta parecen ser análogas a sus contrapartes atómicas o moleculares con consideraciones de escala adecuadas. Un buen ejemplo natural de este fenómeno se puede encontrar en el ópalo precioso , donde las regiones brillantes de color espectral puro resultan de dominios compactos de esferas coloidales de dióxido de silicio amorfo , SiO 2 (ver ilustración anterior). Las partículas esféricas se precipitan en piscinas altamente silíceas y forman matrices altamente ordenadas después de años de sedimentación y compresión bajo condiciones hidrostáticas.y fuerzas gravitacionales. Las matrices periódicas de partículas esféricas forman matrices similares de vacíos intersticiales , que actúan como una rejilla de difracción natural para las ondas de luz en los cristales fotónicos , especialmente cuando el espaciado intersticial es del mismo orden de magnitud que la onda de luz incidente.[5] [6]

Orígenes

Los orígenes de los cristales coloidales se remontan a las propiedades mecánicas de los soles de bentonita y las propiedades ópticas de las capas de Schiller en los soles de óxido de hierro . Se supone que las propiedades se deben al orden de las partículas inorgánicas monodispersas . [7] monodispersas coloides , capaces de formar largo alcance clasificadas arrays, existente en la naturaleza. El descubrimiento por WM Stanley de las formas cristalinas de los virus del tabaco y del tomate proporcionó ejemplos de esto. Utilizando métodos de difracción de rayos X , se determinó posteriormente que cuando se concentra por centrifugación de agua diluida suspensiones , estas partículas de virus a menudo se organizaban en matrices muy ordenadas.

Las partículas en forma de varilla en el virus del mosaico del tabaco podrían formar una red triangular bidimensional , mientras que una estructura cúbica centrada en el cuerpo se formó a partir de las partículas casi esféricas del virus del acrobacias tupidas del tomate. [8] En 1957, se publicó en la revista Nature una carta que describía el descubrimiento de " Un virus de insectos cristalizable " . [9] Conocido como el Virus Iridiscente Tipula, a partir de matrices cuadradas y triangulares que ocurren en las caras de los cristales, los autores dedujeron el empaquetamiento cerrado cúbico centrado en las caras de las partículas de virus . Este tipo de matriz ordenada también se ha observado en celdas suspensiones, donde la simetría se adapta bien al modo de reproducción del organismo . [10] El contenido limitado de material genético impone una restricción al tamaño de la proteína que debe codificar. El uso de una gran cantidad de las mismas proteínas para construir una capa protectora es consistente con la longitud limitada del contenido de ARN o ADN . [11] [12]

Se sabe desde hace muchos años que, debido a las interacciones Coulombic repulsivas , las macromoléculas cargadas eléctricamente en un entorno acuoso pueden exhibir correlaciones de tipo cristal de largo alcance con distancias de separación entre partículas que a menudo son considerablemente mayores que el diámetro de las partículas individuales. En todos los casos de la naturaleza, la misma iridiscencia es causada por la difracción y la interferencia constructiva de las ondas de luz visibles que se rigen por la ley de Bragg .

Debido a la rareza y las propiedades patológicas, ni el ópalo ni ninguno de los virus orgánicos han sido muy populares en los laboratorios científicos. El número de experimentos que exploran la física y la química de estos "cristales coloidales" ha surgido como resultado de los métodos simples que han evolucionado en 20 años para preparar coloides monodispersos sintéticos, tanto polímeros como minerales, y, a través de diversos mecanismos , implementar y preservar su formación de órdenes de largo alcance.

Tendencias

Los cristales coloidales están recibiendo una mayor atención, en gran parte debido a sus mecanismos de ordenamiento y autoensamblaje , movimiento cooperativo , estructuras similares a las observadas en la materia condensada tanto por líquidos como por sólidos, y transiciones de fase estructural . [13] [14] El equilibrio de fase se ha considerado dentro del contexto de sus similitudes físicas, con la escala apropiada , a los sólidos elásticos . Las observaciones de la distancia de separación entre partículas ha mostrado una disminución en el pedido. Esto llevó a una reevaluación de las creencias de Langmuir sobre la existencia de un atractivo de largo alcance.componente en el potencial entre partículas . [15]

Los cristales coloidales han encontrado aplicación en óptica como cristales fotónicos . La fotónica es la ciencia de generar, controlar y detectar fotones (paquetes de luz), particularmente en el infrarrojo visible y cercano , pero también se extiende a las porciones ultravioleta , infrarroja e infrarroja lejana del espectro electromagnético . La ciencia de la fotónica incluye la emisión , transmisión , amplificación, detección, modulación y conmutación de ondas de luz en una amplia gama de frecuencias y longitudes de onda . Los dispositivos fotónicos incluyencomponentes electro-ópticos como láseres (amplificación de luz por emisión estimulada de radiación ) y fibra óptica . Las aplicaciones incluyen telecomunicaciones , procesamiento de información, iluminación, espectroscopia , holografía , medicina ( cirugía , corrección de la visión, endoscopia ), tecnología militar ( misiles guiados ) , agricultura y robótica .

Las estructuras coloidales policristalinas se han identificado como los elementos básicos de la ciencia de los materiales coloidales submicrométricos . [16] El autoensamblaje molecular se ha observado en varios sistemas biológicos y es la base de la formación de una amplia variedad de estructuras biológicas complejas. Esto incluye una clase emergente de biomateriales mecánicamente superiores basados ​​en características y diseños de microestructura que se encuentran en la naturaleza.

Se están reevaluando las principales características mecánicas y estructuras de cerámicas biológicas, compuestos poliméricos , elastómeros y materiales celulares, con énfasis en materiales y estructuras bioinspirados. Los enfoques tradicionales se centran en métodos de diseño de materiales biológicos que utilizan materiales sintéticos convencionales. [17] Los usos se han identificado en la síntesis de materiales bioinspirados a través de procesos característicos de los sistemas biológicos en la naturaleza. Esto incluye el autoensamblaje a nanoescala de los componentes y el desarrollo de estructuras jerárquicas . [18]

Cristales a granel

Agregación

La agregación en dispersiones coloidales (o suspensiones estables) se ha caracterizado por el grado de atracción entre partículas. [19] Para atracciones fuertes en relación con la energía térmica (dada por kT), el movimiento browniano produce estructuras floculadas irreversiblemente con tasas de crecimiento limitadas por la tasa de difusión de partículas . Esto conduce a una descripción que utiliza parámetros tales como el grado de ramificación, ramificación o dimensionalidad fractal . Se ha construido un modelo de crecimiento reversible modificando el modelo de agregación conglomerado-conglomerado con una energía de atracción entre partículas finita. [20] [21]

En sistemas donde las fuerzas de las fuerzas de atracción están amortiguadas hasta cierto punto, un equilibrio de fuerzas conduce a una separación de fases de equilibrio , es decir, las partículas coexisten con el mismo potencial químico en dos fases estructurales distintas. El papel de la fase ordenada como un coloidal sólido elástico se ha evidenciado por el elástico (o reversible) de deformación debido a la fuerza de la gravedad. Esta deformación puede cuantificarse mediante la distorsión del parámetro de la red o el espaciado entre partículas. [22]

Viscoelasticidad

Las celosías ordenadas periódicamente se comportan como sólidos viscoelásticos lineales cuando se someten a deformaciones mecánicas de pequeña amplitud . El grupo de Okano correlacionó experimentalmente el módulo de cizallamiento con la frecuencia de los modos de cizallamiento permanente utilizando técnicas de resonancia mecánica en el rango ultrasónico (40 a 70 kHz). [23] [24] En experimentos oscilatorios a frecuencias más bajas (<40 Hz), el modo fundamental de vibración, así como varios sobretonos parciales de frecuencia más alta (o armónicos) se han observado. Estructuralmente, la mayoría de los sistemas exhiben una clara inestabilidad hacia la formación de dominios periódicos de orden de rango relativamente corto. Por encima de una amplitud crítica de oscilación, la deformación plástica es el modo principal de reordenamiento estructural. [25]

Transiciones de fase

Las transiciones de fase de equilibrio (por ejemplo, orden / desorden), una ecuación de estado y la cinética de la cristalización coloidal se han estudiado activamente, lo que ha llevado al desarrollo de varios métodos para controlar el autoensamblaje de las partículas coloidales. [26] Los ejemplos incluyen epitaxia coloidal y técnicas de gravedad reducida basadas en el espacio, así como el uso de gradientes de temperatura para definir un gradiente de densidad. [27] Esto es algo contrario a la intuición ya que la temperatura no juega un papel en la determinación del diagrama de fase de esfera dura.. Sin embargo, se han obtenido monocristales de esfera dura (tamaño 3 mm) a partir de una muestra en un régimen de concentración que permanecería en estado líquido en ausencia de un gradiente de temperatura. [28]

Dispersión de fonones

Usando un único cristal coloidal, se investigó la dispersión de fonones de los modos normales de vibración usando espectroscopía de correlación de fotones o dispersión dinámica de luz . Esta técnica se basa en la relajación o disminución de las fluctuaciones de concentración (o densidad). A menudo se asocian con modos longitudinales en el rango acústico . Se ha observado un aumento distintivo en la velocidad de la onda de sonido (y por lo tanto el módulo elástico ) en un factor de 2,5 en la transición estructural de líquido coloidal a sólido coloidal, o punto de pedido. [29] [30]

Líneas de Kossel

Usando un solo cristal coloidal cúbico centrado en el cuerpo, se utilizó la aparición de líneas de Kossel en los patrones de difracción para monitorear la nucleación inicial y el movimiento subsiguiente causó la distorsión del cristal. Las deformaciones continuas u homogéneas que ocurren más allá del límite elástico producen un "cristal que fluye", donde la densidad del sitio de nucleación aumenta significativamente con el aumento de la concentración de partículas. [31] Se ha investigado la dinámica de celosía tanto para los modos longitudinal como transversal . Se utilizó la misma técnica para evaluar la cristalización.proceso cerca del borde de un tubo de vidrio. El primero podría considerarse análogo a un evento de nucleación homogéneo, mientras que el segundo claramente se consideraría un evento de nucleación heterogéneo , catalizado por la superficie del tubo de vidrio.

Las tasas de crecimiento

La dispersión de luz láser de ángulo pequeño ha proporcionado información sobre las fluctuaciones de densidad espacial o la forma de los granos de cristal en crecimiento. [31] [32] Además, la microscopía de barrido láser confocal se ha utilizado para observar el crecimiento de cristales cerca de una superficie de vidrio. Las ondas de corte electroópticas han sido inducidas por un pulso de CA y monitoreadas por espectroscopía de reflexión y dispersión de luz. La cinética de la cristalización coloidal se ha medido cuantitativamente, y las velocidades de nucleación dependen de la concentración de la suspensión. [33] [34] [35] De manera similar, se ha demostrado que las tasas de crecimiento de cristales disminuyen linealmente al aumentar la concentración recíproca.

Microgravedad

Los experimentos realizados en microgravedad en el transbordador espacial Columbia sugieren que la típica estructura cúbica centrada en la cara puede ser inducida por tensiones gravitacionales. Los cristales tienden a exhibir la estructura hcp sola ( apilamiento aleatorio de planos cristalinos empaquetados hexagonalmente ), en contraste con una mezcla de (rhcp) y empaquetamiento cúbico centrado en las caras cuando se les permite el tiempo suficiente para alcanzar el equilibrio mecánico bajo las fuerzas gravitacionales en la Tierra . [36] Las muestras coloidales vidriosas (desordenadas o amorfas ) se han cristalizado completamente en microgravedad en menos de dos semanas.

Peliculas delgadas

Las celosías semiordenadas bidimensionales ( película delgada ) se han estudiado utilizando un microscopio óptico , así como las recogidas en las superficies de los electrodos . La microscopía de video digital ha revelado la existencia de una fase hexática de equilibrio, así como una transición de fase líquida a hexática y de hexática a sólida de primer orden fuertemente. [37] Estas observaciones están de acuerdo con la explicación de que la fusión podría proceder a través de la desvinculación de pares de dislocaciones de celosía .

Orden de largo alcance

Se ha observado un orden de largo alcance en películas delgadas de líquidos coloidales bajo aceite, con el borde facetado de un monocristal emergente alineado con el patrón de rayas difusas en la fase líquida. Se han observado defectos estructurales directamente en la fase sólida ordenada, así como en la interfaz de las fases sólida y líquida. Se han observado defectos de celosía móvil a través de reflexiones de Bragg , debido a la modulación de las ondas de luz en el campo de deformación del defecto y su energía de deformación elástica almacenada. [dieciséis]

Defectos de celosía móvil

Todos los experimentos han llevado al menos a una conclusión común: los cristales coloidales pueden de hecho imitar a sus homólogos atómicos en escalas apropiadas de longitud (espacial) y tiempo (temporal). Se ha informado que los defectos aparecen en un abrir y cerrar de ojos en películas delgadas de cristales coloidales bajo aceite utilizando un simple microscopio óptico . Pero medir cuantitativamente la velocidad de su propagación ofrece un desafío completamente diferente, que se ha medido en algún lugar cercano a la velocidad del sonido .

Cristales de base coloidal no esférica

Se produjeron películas delgadas cristalinas a partir de coloides no esféricos utilizando técnicas de ensamblaje convectivo. Las formas coloides incluían formas de mancuernas, hemisferios, discos y esfero-cilindros. [38] [39] Se podrían producir tanto fases cristalinas puramente cristalinas como plásticas, dependiendo de la relación de aspecto de la partícula coloidal. La relación de aspecto baja, como coloides no esféricos de abultamiento, bola de ojo y muñeco de nieve, que se autoensamblan espontáneamente en una matriz de cristal fotónico con alta uniformidad. [40] Las partículas se cristalizaron como estructuras 2D (es decir, monocapa) y 3D (es decir, multicapa). [41] [42] [43] [44] [45]Las orientaciones de celosía y partículas observadas confirmaron experimentalmente un cuerpo de trabajo teórico sobre las fases condensadas de objetos no esféricos. El ensamblaje de cristales de coloides no esféricos también se puede dirigir mediante el uso de campos eléctricos. [46]

Aplicaciones

Fotónica

Tecnológicamente, los cristales coloidales han encontrado aplicación en el mundo de la óptica como materiales de banda prohibida fotónica (PBG) (o cristales fotónicos ). Los ópalos sintéticos, así como las configuraciones de ópalo inverso, se están formando por sedimentación natural o por fuerzas aplicadas, ambos logrando resultados similares: estructuras ordenadas de largo alcance que proporcionan una rejilla de difracción natural para ondas de luz de longitud de onda comparable al tamaño de partícula. [47]

Materiales Novel PBG se forman a partir de opal- semiconductor - polímeros compuestos , por lo general la utilización de la clasificadas celosía para crear una matriz ordenada de agujeros (o poros) que se deja detrás después de la eliminación o descomposición de las partículas originales. Las estructuras de panal huecas residuales proporcionan un índice relativo de refracción (relación de matriz a aire) suficiente para filtros selectivos . Los líquidos de índice variable o los cristales líquidos inyectados en la red alteran la relación y la banda prohibida.

Dichos dispositivos sensibles a la frecuencia pueden ser ideales para conmutación óptica y filtros selectivos de frecuencia en las porciones ultravioleta, visible o infrarroja del espectro, así como antenas de mayor eficiencia en frecuencias de microondas y ondas milimétricas .

Autoensamblaje

El autoensamblaje es el término más común en uso en la comunidad científica moderna para describir la agregación espontánea de partículas (átomos, moléculas, coloides , micelas , etc.) sin la influencia de fuerzas externas. [18] Se sabe que grandes grupos de tales partículas se ensamblan en matrices termodinámicamente estables y estructuralmente bien definidas, que recuerdan bastante a uno de los 7 sistemas cristalinos que se encuentran en la metalurgia y la mineralogía (p. Ej., Cúbico centrado en la cara, cúbico centrado en el cuerpo, etc. .). La diferencia fundamental en la estructura de equilibrio está en la escala espacial de la celda unitaria (o parámetro de celosía) en cada caso particular.

El autoensamblaje molecular se encuentra ampliamente en sistemas biológicos y proporciona la base de una amplia variedad de estructuras biológicas complejas. Esto incluye una clase emergente de biomateriales mecánicamente superiores basados ​​en características y diseños microestructurales que se encuentran en la naturaleza. Así, el autoensamblaje también se perfila como una nueva estrategia en síntesis química y nanotecnología. [17] Los cristales moleculares, los cristales líquidos, los coloides, las micelas, las emulsiones , los polímeros de fases separadas, las películas delgadas y las monocapas autoensambladas representan todos ejemplos de los tipos de estructuras altamente ordenadas que se obtienen utilizando estas técnicas. La característica distintiva de estos métodos es la autoorganización.

Ver también

  • Crecimiento de cristales
  • Estructura cristalina
  • Ingeniería cerámica
  • Agregación limitada por difusión
  • Nanomateriales
  • Nanopartícula
  • Nucleación
  • Cristal fotónico
  • Ópalo
  • Sol-gel

Referencias

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Otras lecturas

  • MW Barsoum, Fundamentos de la cerámica , McGraw-Hill Co., Inc., 1997, ISBN 978-0-07-005521-6 . 
  • WD Callister, Jr., Ciencia e Ingeniería de Materiales: Introducción , 7a Ed., John Wiley & Sons, Inc., 2006, ISBN 978-0-471-73696-7 . 
  • WD Kingery, HK Bowen y DR Uhlmann, Introducción a la cerámica , John Wiley & Sons, Inc., 1976, ISBN 0-471-47860-1 . 
  • MN Rahaman, Procesamiento y sinterización de cerámica , 2da edición, Marcel Dekker Inc., 2003, ISBN 0-8247-0988-8 . 
  • JS Reed, Introducción a los principios del procesamiento de cerámica , John Wiley & Sons, Inc., 1988, ISBN 0-471-84554-X . 
  • DW Richerson, Modern Ceramic Engineering , 2ª Ed., Marcel Dekker Inc., 1992, ISBN 0-8247-8634-3 . 
  • WF Smith, Principios de ciencia e ingeniería de materiales , 3ª edición, McGraw-Hill, Inc., 1996, ISBN 978-0-07-059241-4 . 
  • Wachtman, John B. (1996). Propiedades mecánicas de la cerámica . Nueva York: Wiley-Interscience, John Wiley & Son's. ISBN 978-0-471-13316-2.
  • LH VanVlack, Cerámica física para ingenieros , Addison-Wesley Publishing Co., Inc., 1964, ISBN 0-201-08068-0 . 
  • Dispersiones coloidales , Russel, WB, et al., Eds., Cambridge Univ. Prensa (1989)
  • Ciencia Sol-Gel: La física y química del procesamiento Sol-Gel por C. Jeffrey Brinker y George W. Scherer, Academic Press (1990)
  • Materiales Sol-Gel: química y aplicaciones por John D. Wright, Nico AJM Sommerdijk
  • Tecnologías Sol-Gel para productores y usuarios de vidrio por Michel A. Aegerter y M. Mennig
  • Óptica Sol-Gel: procesamiento y aplicaciones , Lisa Klein, Springer Verlag (1994)

enlaces externos

  • Universidad de Utrecht
  • Nucleación y crecimiento
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