Caracterización (ciencia de materiales)
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Una micrografía de bronce que revela una estructura dendrítica fundida.
La técnica de caracterización microscopía óptica que muestra la microestructura dendrítica a escala micrométrica de una aleación de bronce.

La caracterización , cuando se utiliza en la ciencia de los materiales , se refiere al proceso amplio y general mediante el cual se prueban y miden la estructura y las propiedades de un material. Es un proceso fundamental en el campo de la ciencia de los materiales, sin el cual no se podría determinar ningún conocimiento científico de los materiales de ingeniería. [1] [2] El alcance del término a menudo difiere; algunas definiciones limitan el uso del término a técnicas que estudian la estructura microscópica y las propiedades de los materiales, [2] mientras que otras usan el término para referirse a cualquier proceso de análisis de materiales, incluidas técnicas macroscópicas como pruebas mecánicas, análisis térmico y cálculo de densidad. [3]La escala de las estructuras observadas en la caracterización de materiales varía desde angstroms , como en la formación de imágenes de átomos individuales y enlaces químicos, hasta centímetros, como en la formación de imágenes de estructuras de grano grueso en metales.

Si bien durante siglos se han practicado muchas técnicas de caracterización, como la microscopía óptica básica, constantemente surgen nuevas técnicas y metodologías. En particular, la llegada del microscopio electrónico y la espectrometría de masas de iones secundarios en el siglo XX ha revolucionado el campo, permitiendo la obtención de imágenes y el análisis de estructuras y composiciones en escalas mucho más pequeñas de lo que era posible anteriormente, lo que ha llevado a un gran aumento en el nivel de comprensión. en cuanto a por qué diferentes materiales muestran diferentes propiedades y comportamientos. [4] Más recientemente, la microscopía de fuerza atómica ha aumentado aún más la resolución máxima posible para el análisis de ciertas muestras en los últimos 30 años. [5]

Microscopía

Imagen de microscopía óptica de aluminio
Imagen de una superficie de grafito a nivel atómico obtenida por un STM

La microscopía es una categoría de técnicas de caracterización que exploran y mapean la estructura superficial y subsuperficial de un material. Estas técnicas pueden utilizar fotones , electrones , iones o sondas en voladizo físicas para recopilar datos sobre la estructura de una muestra en una variedad de escalas de longitud. Algunos ejemplos comunes de técnicas de microscopía incluyen:

Espectroscopia

La espectroscopia es una categoría de técnicas de caracterización que utilizan una variedad de principios para revelar la composición química, la variación de la composición, la estructura cristalina y las propiedades fotoeléctricas de los materiales. Algunos ejemplos comunes de técnicas de espectroscopia incluyen:

Radiacion optica

  • Espectroscopía ultravioleta-visible (UV-vis)
  • Espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier (FTIR)
  • Termoluminiscencia (TL)
  • Fotoluminiscencia (PL)

radiografía

Primera vista de difracción de rayos X del suelo marciano: el análisis CheMin revela feldespato, piroxenos, olivino y más (rover Curiosity en "Rocknest", 17 de octubre de 2012). [6]
Difracción de rayos X en polvo de Y 2 Cu 2 O 5 y refinamiento de Rietveld con dos fases, mostrando 1% de impureza de óxido de itrio (tickers rojos)
  • Difracción de rayos X (XRD)
  • Dispersión de rayos X de ángulo pequeño (SAXS)
  • Espectroscopía de rayos X de dispersión de energía (EDX, EDS)
  • Espectroscopía de rayos X de dispersión de longitud de onda (WDX, WDS)
  • Espectroscopía de pérdida de energía electrónica (EELS)
  • Espectroscopia de fotoelectrones de rayos X (XPS)
  • Espectroscopía de electrones Auger (AES)
  • Espectroscopía de correlación de fotones de rayos X (XPCS) [7]

Espectrometría de masas

Más información: espectrometría de masas
  • Modos de espectrometría de masas:
    • Ionización de electrones (EI)
    • Espectrometría de masas de ionización térmica (TI-MS)
    • MALDI-TOF
  • Espectrometría de masas de iones secundarios (SIMS)

Espectroscopia nuclear

Más información: espectroscopia nuclear
PAC sondeando la estructura local mediante el uso de núcleos radiactivos. A partir del patrón se obtienen gradientes de campo eléctrico que resuelven la estructura alrededor del átomo radiactivo, para estudiar transiciones de fase, defectos, difusión.
  • Espectroscopia de resonancia magnética nuclear (RMN)
  • Espectroscopia de Mössbauer (MBS)
  • Correlación angular perturbada (PAC)

Otro

  • Espectroscopía de correlación de fotones / Dispersión dinámica de luz (DLS)
  • Espectroscopia de terahercios (THz)
  • Electrón paramagnético / resonancia de espín (EPR, ESR)
  • Dispersión de neutrones de ángulo pequeño (SANS)
  • Espectrometría de retrodispersión de Rutherford (RBS)

Prueba macroscópica

Se utiliza una amplia gama de técnicas para caracterizar diversas propiedades macroscópicas de los materiales, que incluyen:

  • Pruebas mecánicas , incluidas pruebas de tracción, compresión, torsión, fluencia, fatiga, tenacidad y dureza
  • Análisis térmico diferencial (DTA)
  • Análisis térmico dieléctrico (DEA, DETA)
  • Análisis termogravimétrico (TGA)
  • Calorimetría diferencial de barrido (DSC)
  • Técnica de excitación por impulso (IET)
  • Técnicas de ultrasonido , incluida la espectroscopia de ultrasonido resonante y los métodos de prueba ultrasónica en el dominio del tiempo [8]
a) índices de refracción efectivos yb) coeficientes de absorción de circuitos integrados obtenidos mediante espectroscopia de terahercios [9]

Ver también

  • Química analítica
  • Quimica instrumental
  • Técnicas de caracterización de semiconductores
  • Caracterización de enlaces de obleas
  • Caracterización de polímeros
  • Caracterización de la bicapa lipídica
  • Caracterización de la lignina
  • Caracterización de nanopartículas
  • MEMS para caracterización mecánica in situ

Referencias

  1. ^ Kumar, Sam Zhang, Lin Li, Ashok (2009). Técnicas de caracterización de materiales . Boca Ratón: CRC Press. ISBN 978-1420042948.
  2. ↑ a b Leng, Yang (2009). Caracterización de materiales: Introducción a los métodos microscópicos y espectroscópicos . Wiley. ISBN 978-0-470-82299-9.
  3. ^ Zhang, Sam (2008). Técnicas de caracterización de materiales . Prensa CRC. ISBN 978-1420042948.
  4. ^ Mathys, Daniel, Zentrum für Mikroskopie, Universidad de Basilea : Die Entwicklung der Elektronenmikroskopie vom Bild über die Analyze zum Nanolabor , p. 8
  5. ^ Patente US4724318 - Microscopio de fuerza atómica y método para obtener imágenes de superficies con resolución atómica - Patentes de Google
  6. ^ Brown, Dwayne (30 de octubre de 2012). "Los primeros estudios del suelo de la NASA Rover ayudan a los minerales marcianos de huellas dactilares" . NASA . Consultado el 31 de octubre de 2012 .
  7. ^ "¿Qué es la espectroscopia de correlación de fotones de rayos X (XPCS)?" . sector7.xray.aps.anl.gov . Archivado desde el original el 22 de agosto de 2018 . Consultado el 29 de octubre de 2016 .
  8. ^ R. Truell, C. Elbaum y CB Chick., Métodos ultrasónicos en física del estado sólido Nueva York, Academic Press Inc., 1969.
  9. ^ Ahi, Kiarash; Shahbazmohamadi, Sina; Asadizanjani, Navid (2018). "Control de calidad y autenticación de circuitos integrados empaquetados mediante espectroscopia e imágenes en el dominio del tiempo de terahercios de resolución espacial mejorada" . Óptica y láseres en ingeniería . 104 : 274-284. Código Bibliográfico : 2018OptLE.104..274A . doi : 10.1016 / j.optlaseng.2017.07.007 .
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