Sólido es uno de los cuatro estados fundamentales de la materia (los otros son líquido , gas y plasma ). Las moléculas de un sólido están muy juntas y contienen la menor cantidad de energía cinética. Un sólido se caracteriza por la rigidez estructural y la resistencia a una fuerza aplicada a la superficie. A diferencia de un líquido, un objeto sólido no fluye para tomar la forma de su recipiente, ni se expande para llenar todo el volumen disponible como un gas. Los átomos de un sólido están unidos entre sí, ya sea en una red geométrica regular ( sólidos cristalinos , que incluyen metales y hielo ordinario ), o irregularmente (unsólido amorfo como el vidrio de ventana común). Los sólidos no se pueden comprimir con poca presión, mientras que los gases se pueden comprimir con poca presión porque las moléculas de un gas están sueltas.
La rama de la física que se ocupa de los sólidos se denomina física del estado sólido y es la rama principal de la física de la materia condensada (que también incluye a los líquidos). La ciencia de los materiales se ocupa principalmente de las propiedades físicas y químicas de los sólidos. La química del estado sólido se ocupa especialmente de la síntesis de nuevos materiales, así como de la ciencia de la identificación y la composición química .
Descripción microscópica
Los átomos, moléculas o iones que forman los sólidos pueden estar dispuestos en un patrón repetido ordenado o irregularmente. Los materiales cuyos componentes están dispuestos en un patrón regular se conocen como cristales . En algunos casos, el pedido regular puede continuar ininterrumpido a gran escala, por ejemplo, diamantes, donde cada diamante es un solo cristal . Los objetos sólidos que son lo suficientemente grandes para ver y manipular rara vez están compuestos por un solo cristal, sino que están hechos de una gran cantidad de monocristales, conocidos como cristalitos , cuyo tamaño puede variar desde unos pocos nanómetros hasta varios metros. Dichos materiales se denominan policristalinos . Casi todos los metales comunes y muchas cerámicas son policristalinos.
En otros materiales, no existe un orden de largo alcance en la posición de los átomos. Estos sólidos se conocen como sólidos amorfos ; los ejemplos incluyen poliestireno y vidrio.
El hecho de que un sólido sea cristalino o amorfo depende del material involucrado y de las condiciones en las que se formó. Los sólidos que se forman por enfriamiento lento tenderán a ser cristalinos, mientras que los sólidos que se congelan rápidamente tienen más probabilidades de ser amorfos. Asimismo, la estructura cristalina específica adoptada por un sólido cristalino depende del material involucrado y de cómo se formó.
Si bien muchos objetos comunes, como un cubo de hielo o una moneda, son químicamente idénticos, muchos otros materiales comunes comprenden varias sustancias diferentes empaquetadas juntas. Por ejemplo, una roca típica es un agregado de varios minerales y mineraloides diferentes , sin una composición química específica. La madera es un material orgánico natural que consiste principalmente en fibras de celulosa incrustadas en una matriz de lignina orgánica . En la ciencia de los materiales, se pueden diseñar compuestos de más de un material constituyente para que tengan las propiedades deseadas.
Clases de sólidos
Las fuerzas entre los átomos de un sólido pueden adoptar diversas formas. Por ejemplo, un cristal de cloruro de sodio (sal común) está formado por sodio iónico y cloro , que se mantienen unidos por enlaces iónicos . [1] En el diamante [2] o el silicio, los átomos comparten electrones y forman enlaces covalentes . [3] En los metales, los electrones se comparten en enlaces metálicos . [4] Algunos sólidos, en particular la mayoría de los compuestos orgánicos, se mantienen unidos con las fuerzas de van der Waals que resultan de la polarización de la nube de carga electrónica en cada molécula. Las diferencias entre los tipos de sólidos resultan de las diferencias entre sus enlaces.
Rieles
Los metales suelen ser fuertes, densos y buenos conductores tanto de electricidad como de calor . [5] [6] La mayor parte de los elementos de la tabla periódica , los que están a la izquierda de una línea diagonal trazada desde el boro hasta el polonio , son metales. Las mezclas de dos o más elementos en los que el componente principal es un metal se conocen como aleaciones .
La gente ha estado usando metales para una variedad de propósitos desde tiempos prehistóricos. La resistencia y confiabilidad de los metales ha llevado a su uso generalizado en la construcción de edificios y otras estructuras, así como en la mayoría de los vehículos, muchos electrodomésticos y herramientas, tuberías, señales de tránsito y vías de ferrocarril. El hierro y el aluminio son los dos metales estructurales más utilizados. También son los metales más abundantes en la corteza terrestre . El hierro se usa más comúnmente en forma de aleación, el acero, que contiene hasta un 2,1% de carbono , lo que lo hace mucho más duro que el hierro puro.
Debido a que los metales son buenos conductores de electricidad, son valiosos en aparatos eléctricos y para transportar una corriente eléctrica a largas distancias con poca pérdida o disipación de energía. Por lo tanto, las redes de energía eléctrica dependen de cables metálicos para distribuir la electricidad. Los sistemas eléctricos domésticos, por ejemplo, están cableados con cobre por sus buenas propiedades conductoras y su fácil maquinabilidad. La alta conductividad térmica de la mayoría de los metales también los hace útiles para utensilios de cocina para estufas.
El estudio de los elementos metálicos y sus aleaciones constituye una parte importante de los campos de la química del estado sólido, la física, la ciencia de los materiales y la ingeniería.
Los sólidos metálicos se mantienen unidos por una alta densidad de electrones deslocalizados compartidos, conocida como " unión metálica ". En un metal, los átomos pierden fácilmente su más externa ( "valencia") electrones , formando positivos iones . Los electrones libres se distribuyen por todo el sólido, que se mantiene unido firmemente mediante interacciones electrostáticas entre los iones y la nube de electrones. [7] La gran cantidad de electrones libres confiere a los metales sus altos valores de conductividad eléctrica y térmica. Los electrones libres también evitan la transmisión de luz visible, haciendo que los metales sean opacos, brillantes y lustrosos .
Los modelos más avanzados de propiedades de los metales consideran el efecto de los núcleos de iones positivos sobre los electrones deslocalizados. Como la mayoría de los metales tienen una estructura cristalina, esos iones suelen estar dispuestos en una red periódica. Matemáticamente, el potencial de los núcleos de iones puede ser tratado por varios modelos, el más simple es el modelo de electrones casi libres .
Minerales
Los minerales son sólidos naturales formados a través de varios procesos geológicos [8] bajo altas presiones. Para ser clasificada como un verdadero mineral, una sustancia debe tener una estructura cristalina con propiedades físicas uniformes en todas partes. Los minerales varían en composición desde elementos puros y sales simples hasta silicatos muy complejos con miles de formas conocidas. Por el contrario, una muestra de roca es un agregado aleatorio de minerales y / o mineraloides , y no tiene una composición química específica. La gran mayoría de las rocas de la corteza terrestre consisten en cuarzo (SiO 2 cristalino ), feldespato, mica, clorita , caolín , calcita, epidota , olivino , augita , hornblenda , magnetita , hematita , limonita y algunos otros minerales. Algunos minerales, como el cuarzo , la mica o el feldespato son comunes, mientras que otros solo se han encontrado en unos pocos lugares del mundo. El grupo más grande de minerales son, con mucho, los silicatos (la mayoría de las rocas son ≥95% de silicatos), que están compuestos principalmente de silicio y oxígeno , con la adición de iones de aluminio, magnesio , hierro, calcio y otros metales.
Cerámica
Los sólidos cerámicos están compuestos por compuestos inorgánicos, generalmente óxidos de elementos químicos. [9] Son químicamente inertes y, a menudo, son capaces de resistir la erosión química que ocurre en un ambiente ácido o cáustico. Las cerámicas generalmente pueden soportar altas temperaturas que van desde 1000 a 1600 ° C (1800 a 3000 ° F). Las excepciones incluyen materiales inorgánicos que no son óxidos, como nitruros , boruros y carburos .
Las materias primas cerámicas tradicionales incluyen minerales de arcilla como la caolinita , los materiales más recientes incluyen óxido de aluminio ( alúmina ). Los materiales cerámicos modernos, que se clasifican como cerámicas avanzadas, incluyen carburo de silicio y carburo de tungsteno . Ambos son valorados por su resistencia a la abrasión y, por lo tanto, encuentran uso en aplicaciones tales como las placas de desgaste de equipos de trituración en operaciones mineras.
La mayoría de los materiales cerámicos, como la alúmina y sus compuestos, se forman a partir de polvos finos que producen una microestructura policristalina de grano fino que está llena de centros de dispersión de luz comparables a la longitud de onda de la luz visible . Por lo tanto, generalmente son materiales opacos, en contraposición a materiales transparentes . Sin embargo, la reciente tecnología a nanoescala (por ejemplo, sol-gel ) ha hecho posible la producción de cerámicas transparentes policristalinas como alúmina transparente y compuestos de alúmina para aplicaciones tales como láseres de alta potencia. Las cerámicas avanzadas también se utilizan en las industrias de la medicina, la electricidad y la electrónica.
La ingeniería cerámica es la ciencia y la tecnología para crear materiales, piezas y dispositivos cerámicos de estado sólido. Esto se realiza mediante la acción del calor o, a temperaturas más bajas, mediante reacciones de precipitación de soluciones químicas. El término incluye la depuración de materias primas, el estudio y producción de los compuestos químicos en cuestión, su formación en componentes y el estudio de su estructura, composición y propiedades.
Hablando mecánicamente, los materiales cerámicos son frágiles, duros, fuertes en compresión y débiles en cizallamiento y tensión. Los materiales frágiles pueden exhibir una resistencia a la tracción significativa al soportar una carga estática. La tenacidad indica cuánta energía puede absorber un material antes de la falla mecánica, mientras que la tenacidad a la fractura (denominada K Ic ) describe la capacidad de un material con defectos microestructurales inherentes para resistir la fractura a través del crecimiento y propagación de grietas. Si un material tiene un gran valor de tenacidad a la fractura , los principios básicos de la mecánica de la fractura sugieren que lo más probable es que sufra una fractura dúctil. La fractura frágil es muy característico de la mayoría de cerámica y de cerámica de vidrio materiales que típicamente presentan valores bajos (e inconsistentes) de K Ic .
Como ejemplo de aplicaciones de cerámica, la extrema dureza de la zirconia se utiliza en la fabricación de hojas de cuchillo, así como en otras herramientas de corte industriales. Se han utilizado cerámicas como alúmina , carburo de boro y carburo de silicio en chalecos antibalas para repeler el fuego de rifles de gran calibre. Las piezas de nitruro de silicio se utilizan en rodamientos de bolas de cerámica, donde su alta dureza las hace resistentes al desgaste. En general, las cerámicas también son químicamente resistentes y pueden usarse en ambientes húmedos donde los cojinetes de acero serían susceptibles a la oxidación (o herrumbre).
Como otro ejemplo de aplicaciones cerámicas, a principios de la década de 1980, Toyota investigó la producción de un motor cerámico adiabático con una temperatura de funcionamiento de más de 6000 ° F (3300 ° C). Los motores cerámicos no necesitan un sistema de refrigeración y, por tanto, permiten una importante reducción de peso y por tanto una mayor eficiencia de combustible. En un motor metálico convencional, gran parte de la energía liberada por el combustible debe disiparse como calor residual para evitar la fusión de las partes metálicas. También se está trabajando en el desarrollo de piezas cerámicas para motores de turbina de gas . Los motores de turbina hechos con cerámica podrían funcionar de manera más eficiente, dando a los aviones un mayor alcance y carga útil para una cantidad determinada de combustible. Sin embargo, tales motores no están en producción porque la fabricación de piezas cerámicas con suficiente precisión y durabilidad es difícil y costosa. Los métodos de procesamiento a menudo dan como resultado una amplia distribución de defectos microscópicos que con frecuencia juegan un papel perjudicial en el proceso de sinterización, lo que resulta en la proliferación de grietas y falla mecánica final.
Cerámica de vidrio
Los materiales vitrocerámicos comparten muchas propiedades tanto con los vidrios no cristalinos como con las cerámicas cristalinas . Se forman como un vidrio y luego se cristalizan parcialmente mediante tratamiento térmico, produciendo tanto fases amorfas como cristalinas, de modo que los granos cristalinos se incrustan dentro de una fase intergranular no cristalina.
Las vitrocerámicas se utilizan para fabricar utensilios de cocina (originalmente conocidos por la marca CorningWare ) y estufas que tienen una alta resistencia al choque térmico y una permeabilidad extremadamente baja a los líquidos. El coeficiente negativo de expansión térmica de la fase cerámica cristalina se puede equilibrar con el coeficiente positivo de la fase vítrea. En cierto punto (~ 70% cristalino), la vitrocerámica tiene un coeficiente neto de expansión térmica cercano a cero. Este tipo de vitrocerámica presenta excelentes propiedades mecánicas y puede soportar cambios de temperatura repetidos y rápidos de hasta 1000 ° C.
La cerámica de vidrio también puede ocurrir naturalmente cuando un rayo golpea los granos cristalinos (por ejemplo, cuarzo) que se encuentran en la mayoría de la arena de la playa . En este caso, el calor extremo e inmediato del rayo (~ 2500 ° C) crea estructuras huecas, ramificadas, parecidas a raíces llamadas fulgurita por fusión .
Sólidos orgánicos
La química orgánica estudia la estructura, propiedades, composición, reacciones y preparación por síntesis (u otros medios) de compuestos químicos de carbono e hidrógeno , que pueden contener cualquier número de otros elementos como nitrógeno , oxígeno y halógenos: flúor , cloro , bromo y yodo . Algunos compuestos orgánicos también pueden contener los elementos fósforo o azufre . Los ejemplos de sólidos orgánicos incluyen madera, cera de parafina , naftaleno y una amplia variedad de polímeros y plásticos .
Madera
La madera es un material orgánico natural que consiste principalmente en fibras de celulosa incrustadas en una matriz de lignina . En cuanto a las propiedades mecánicas, las fibras son fuertes en tensión y la matriz de lignina resiste la compresión. Por lo tanto, la madera ha sido un material de construcción importante desde que los humanos comenzaron a construir refugios y a usar botes. La madera que se utiliza para trabajos de construcción se conoce comúnmente como madera aserrada o madera . En la construcción, la madera no solo es un material estructural, sino que también se utiliza para formar el molde del hormigón.
Los materiales a base de madera también se utilizan ampliamente para envases (por ejemplo, cartón) y papel, que se crean a partir de la pulpa refinada. Los procesos de fabricación de pasta química utilizan una combinación de sustancias químicas alcalinas (kraft) o ácidas (sulfito) y de alta temperatura para romper los enlaces químicos de la lignina antes de quemarla.
Polímeros
Una propiedad importante del carbono en la química orgánica es que puede formar ciertos compuestos, cuyas moléculas individuales son capaces de unirse entre sí, formando así una cadena o una red. El proceso se denomina polimerización y las cadenas o redes polímeros, mientras que el compuesto fuente es un monómero. Existen dos grupos principales de polímeros: los fabricados artificialmente se denominan polímeros industriales o polímeros sintéticos (plásticos) y los que se encuentran naturalmente como biopolímeros.
Los monómeros pueden tener varios sustituyentes químicos, o grupos funcionales, que pueden afectar las propiedades químicas de los compuestos orgánicos, como la solubilidad y la reactividad química, así como las propiedades físicas, como dureza, densidad, resistencia mecánica o a la tracción, resistencia a la abrasión, calor. resistencia, transparencia, color, etc. En las proteínas, estas diferencias dan al polímero la capacidad de adoptar una conformación biológicamente activa con preferencia a otras (ver autoensamblaje ).
La gente ha estado usando polímeros orgánicos naturales durante siglos en forma de ceras y goma laca , que se clasifica como polímero termoplástico. Un polímero vegetal llamado celulosa proporcionó la resistencia a la tracción de las fibras y cuerdas naturales y, a principios del siglo XIX, el caucho natural estaba en uso generalizado. Los polímeros son las materias primas (las resinas) que se utilizan para fabricar los comúnmente llamados plásticos. Los plásticos son el producto final, creado después de que uno o más polímeros o aditivos se hayan agregado a una resina durante el procesamiento, que luego se moldea en una forma final. Los polímeros que han existido y que están en uso generalizado en la actualidad incluyen polietileno a base de carbono , polipropileno , cloruro de polivinilo , poliestireno , nailon, poliésteres , acrílicos , poliuretano y policarbonatos , y siliconas a base de silicio . Los plásticos se clasifican generalmente como plásticos "básicos", "especiales" e "de ingeniería".
Materiales compuestos
Los materiales compuestos contienen dos o más fases macroscópicas, una de las cuales suele ser cerámica. Por ejemplo, una matriz continua y una fase dispersa de partículas o fibras cerámicas.
Las aplicaciones de los materiales compuestos van desde elementos estructurales como el hormigón reforzado con acero, hasta las baldosas aislantes térmicamente que desempeñan un papel clave e integral en el sistema de protección térmica del transbordador espacial de la NASA , que se utiliza para proteger la superficie del transbordador del calor del fuego. -Entrada en la atmósfera terrestre. Un ejemplo es el carbono reforzado con carbono (RCC), el material gris claro que resiste temperaturas de reentrada de hasta 1510 ° C (2750 ° F) y protege la tapa de la nariz y los bordes de ataque de las alas del transbordador espacial. RCC es un material compuesto laminado hecho de tela de rayón grafito e impregnado con una resina fenólica . Después de curar a alta temperatura en un autoclave, el laminado se piroliza para convertir la resina en carbono, se impregna con alcohol furfural en una cámara de vacío y se cura / piroliza para convertir el alcohol furfural en carbono. Con el fin de proporcionar resistencia a la oxidación para la capacidad de reutilización, las capas externas del RCC se convierten en carburo de silicio.
Se pueden ver ejemplos domésticos de compuestos en las carcasas "plásticas" de televisores, teléfonos móviles, etc. Estas carcasas de plástico suelen ser un compuesto hecho de una matriz termoplástica como acrilonitrilo butadieno estireno (ABS) en el que se han añadido carbonato de calcio , talco , fibras de vidrio o fibras de carbono para dar fuerza, volumen o dispersión electrostática. Estas adiciones pueden denominarse fibras de refuerzo o dispersantes, según su finalidad.
Por tanto, el material de la matriz rodea y soporta los materiales de refuerzo manteniendo sus posiciones relativas. Los refuerzos imparten sus propiedades físicas y mecánicas especiales para mejorar las propiedades de la matriz. Un sinergismo produce propiedades materiales que no están disponibles en los materiales constituyentes individuales, mientras que la amplia variedad de materiales de matriz y de refuerzo proporciona al diseñador la opción de una combinación óptima.
Semiconductores
Los semiconductores son materiales que tienen una resistividad eléctrica (y conductividad) entre la de los conductores metálicos y la de los aislantes no metálicos. Se pueden encontrar en la tabla periódica moviéndose diagonalmente hacia abajo desde el boro . Separa los conductores eléctricos (o metales, a la izquierda) de los aisladores (a la derecha).
Los dispositivos fabricados con materiales semiconductores son la base de la electrónica moderna, incluida la radio, las computadoras, los teléfonos, etc. Los dispositivos semiconductores incluyen el transistor , las células solares , los diodos y los circuitos integrados . Los paneles solares fotovoltaicos son grandes dispositivos semiconductores que convierten directamente la luz en energía eléctrica.
En un conductor metálico, la corriente es transportada por el flujo de electrones ", pero en los semiconductores, la corriente puede ser transportada por electrones o por los" agujeros " cargados positivamente en la estructura de banda electrónica del material. Los materiales semiconductores comunes incluyen silicio, germanio y arseniuro de galio .
Nanomateriales
Muchos sólidos tradicionales exhiben propiedades diferentes cuando se encogen a tamaños nanométricos. Por ejemplo, las nanopartículas generalmente de oro amarillo y silicio gris son de color rojo; las nanopartículas de oro se funden a temperaturas mucho más bajas (~ 300 ° C para un tamaño de 2,5 nm) que las placas de oro (1064 ° C); [10] y los nanocables metálicos son mucho más fuertes que los correspondientes metales a granel. [11] [12] La gran superficie de las nanopartículas las hace extremadamente atractivas para determinadas aplicaciones en el campo de la energía. Por ejemplo, los metales de platino pueden proporcionar mejoras como catalizadores de combustible para automóviles , así como también como celdas de combustible de membrana de intercambio de protones (PEM). Además, los óxidos cerámicos (o cermet) de lantano , cerio , manganeso y níquel se están desarrollando ahora como pilas de combustible de óxido sólido (SOFC). Se están aplicando nanopartículas de litio, titanato de litio y tantalio en baterías de iones de litio. Se ha demostrado que las nanopartículas de silicio amplían drásticamente la capacidad de almacenamiento de las baterías de iones de litio durante el ciclo de expansión / contracción. Los nanocables de silicio tienen un ciclo sin degradación significativa y presentan el potencial para su uso en baterías con tiempos de almacenamiento muy ampliados. Las nanopartículas de silicio también se están utilizando en nuevas formas de células de energía solar. La deposición de película delgada de puntos cuánticos de silicio sobre el sustrato de silicio policristalino de una celda fotovoltaica (solar) aumenta la salida de voltaje hasta en un 60% al hacer fluorescente la luz entrante antes de la captura. Aquí nuevamente, el área de la superficie de las nanopartículas (y películas delgadas) juega un papel crítico en maximizar la cantidad de radiación absorbida.
Biomateriales
Muchos materiales naturales (o biológicos) son compuestos complejos con propiedades mecánicas notables. Estas complejas estructuras, que han surgido de cientos de millones de años de evolución, están inspirando a los científicos de materiales en el diseño de materiales novedosos. Sus características definitorias incluyen jerarquía estructural, multifuncionalidad y capacidad de autocuración. La autoorganización es también una característica fundamental de muchos materiales biológicos y la forma en que las estructuras se ensamblan desde el nivel molecular hacia arriba. Así, el autoensamblaje se perfila como una nueva estrategia en la síntesis química de biomateriales de alto rendimiento.
Propiedades físicas
Las propiedades físicas de los elementos y compuestos que proporcionan evidencia concluyente de la composición química incluyen olor, color, volumen, densidad (masa por unidad de volumen), punto de fusión, punto de ebullición, capacidad calorífica, forma física y forma a temperatura ambiente (sólido, líquido o gas). ; cristales cúbicos, trigonales, etc.), dureza, porosidad, índice de refracción y muchos otros. Esta sección analiza algunas propiedades físicas de los materiales en estado sólido.
Mecánico
The mechanical properties of materials describe characteristics such as their strength and resistance to deformation. For example, steel beams are used in construction because of their high strength, meaning that they neither break nor bend significantly under the applied load.
Mechanical properties include elasticity and plasticity, tensile strength, compressive strength, shear strength, fracture toughness, ductility (low in brittle materials), and indentation hardness. Solid mechanics is the study of the behavior of solid matter under external actions such as external forces and temperature changes.
A solid does not exhibit macroscopic flow, as fluids do. Any degree of departure from its original shape is called deformation. The proportion of deformation to original size is called strain. If the applied stress is sufficiently low, almost all solid materials behave in such a way that the strain is directly proportional to the stress (Hooke's law). The coefficient of the proportion is called the modulus of elasticity or Young's modulus. This region of deformation is known as the linearly elastic region. Three models can describe how a solid responds to an applied stress:
- Elasticity – When an applied stress is removed, the material returns to its undeformed state.
- Viscoelasticity – These are materials that behave elastically, but also have damping. When the applied stress is removed, work has to be done against the damping effects and is converted to heat within the material. This results in a hysteresis loop in the stress–strain curve. This implies that the mechanical response has a time-dependence.
- Plasticity – Materials that behave elastically generally do so when the applied stress is less than a yield value. When the stress is greater than the yield stress, the material behaves plastically and does not return to its previous state. That is, irreversible plastic deformation (or viscous flow) occurs after yield that is permanent.
Many materials become weaker at high temperatures. Materials that retain their strength at high temperatures, called refractory materials, are useful for many purposes. For example, glass-ceramics have become extremely useful for countertop cooking, as they exhibit excellent mechanical properties and can sustain repeated and quick temperature changes up to 1000 °C. In the aerospace industry, high performance materials used in the design of aircraft and/or spacecraft exteriors must have a high resistance to thermal shock. Thus, synthetic fibers spun out of organic polymers and polymer/ceramic/metal composite materials and fiber-reinforced polymers are now being designed with this purpose in mind.
Thermal
Because solids have thermal energy, their atoms vibrate about fixed mean positions within the ordered (or disordered) lattice. The spectrum of lattice vibrations in a crystalline or glassy network provides the foundation for the kinetic theory of solids. This motion occurs at the atomic level, and thus cannot be observed or detected without highly specialized equipment, such as that used in spectroscopy.
Thermal properties of solids include thermal conductivity, which is the property of a material that indicates its ability to conduct heat. Solids also have a specific heat capacity, which is the capacity of a material to store energy in the form of heat (or thermal lattice vibrations).
Electrical
Electrical properties include conductivity, resistance, impedance and capacitance. Electrical conductors such as metals and alloys are contrasted with electrical insulators such as glasses and ceramics. Semiconductors behave somewhere in between. Whereas conductivity in metals is caused by electrons, both electrons and holes contribute to current in semiconductors. Alternatively, ions support electric current in ionic conductors.
Many materials also exhibit superconductivity at low temperatures; they include metallic elements such as tin and aluminium, various metallic alloys, some heavily doped semiconductors, and certain ceramics. The electrical resistivity of most electrical (metallic) conductors generally decreases gradually as the temperature is lowered, but remains finite. In a superconductor, however, the resistance drops abruptly to zero when the material is cooled below its critical temperature. An electric current flowing in a loop of superconducting wire can persist indefinitely with no power source.
A dielectric, or electrical insulator, is a substance that is highly resistant to the flow of electric current. A dielectric, such as plastic, tends to concentrate an applied electric field within itself, which property is used in capacitors. A capacitor is an electrical device that can store energy in the electric field between a pair of closely spaced conductors (called 'plates'). When voltage is applied to the capacitor, electric charges of equal magnitude, but opposite polarity, build up on each plate. Capacitors are used in electrical circuits as energy-storage devices, as well as in electronic filters to differentiate between high-frequency and low-frequency signals.
Electro-mechanical
Piezoelectricity is the ability of crystals to generate a voltage in response to an applied mechanical stress. The piezoelectric effect is reversible in that piezoelectric crystals, when subjected to an externally applied voltage, can change shape by a small amount. Polymer materials like rubber, wool, hair, wood fiber, and silk often behave as electrets. For example, the polymer polyvinylidene fluoride (PVDF) exhibits a piezoelectric response several times larger than the traditional piezoelectric material quartz (crystalline SiO2). The deformation (~0.1%) lends itself to useful technical applications such as high-voltage sources, loudspeakers, lasers, as well as chemical, biological, and acousto-optic sensors and/or transducers.
Optical
Materials can transmit (e.g. glass) or reflect (e.g. metals) visible light.
Materials generally fall into three categories- Transparent, Translucent or Opaque.
Transparent Materials Allow the light rays to completely pass through them. Examples- Pure Water, Clean Glass. Translucent Materials allow the light rays to partially pass through them. Examples- Impure Water, Oil, Tainted Window. Opaque materials do not allow any light to pass through them. Examples- Wood, Iron, Plastic.
Many materials will transmit some wavelengths while blocking others. For example, window glass is transparent to visible light, but much less so to most of the frequencies of ultraviolet light that cause sunburn. This property is used for frequency-selective optical filters, which can alter the color of incident light.
For some purposes, both the optical and mechanical properties of a material can be of interest. For example, the sensors on an infrared homing ("heat-seeking") missile must be protected by a cover that is transparent to infrared radiation. The current material of choice for high-speed infrared-guided missile domes is single-crystal sapphire. The optical transmission of sapphire does not actually extend to cover the entire mid-infrared range (3–5 µm), but starts to drop off at wavelengths greater than approximately 4.5 µm at room temperature. While the strength of sapphire is better than that of other available mid-range infrared dome materials at room temperature, it weakens above 600 °C. A long-standing trade-off exists between optical bandpass and mechanical durability; new materials such as transparent ceramics or optical nanocomposites may provide improved performance.
Guided lightwave transmission involves the field of fiber optics and the ability of certain glasses to transmit, simultaneously and with low loss of intensity, a range of frequencies (multi-mode optical waveguides) with little interference between them. Optical waveguides are used as components in integrated optical circuits or as the transmission medium in optical communication systems.
Opto-electronic
A solar cell or photovoltaic cell is a device that converts light energy into electrical energy. Fundamentally, the device needs to fulfill only two functions: photo-generation of charge carriers (electrons and holes) in a light-absorbing material, and separation of the charge carriers to a conductive contact that will transmit the electricity (simply put, carrying electrons off through a metal contact into an external circuit). This conversion is called the photoelectric effect, and the field of research related to solar cells is known as photovoltaics.
Solar cells have many applications. They have long been used in situations where electrical power from the grid is unavailable, such as in remote area power systems, Earth-orbiting satellites and space probes, handheld calculators, wrist watches, remote radiotelephones and water pumping applications. More recently, they are starting to be used in assemblies of solar modules (photovoltaic arrays) connected to the electricity grid through an inverter, that is not to act as a sole supply but as an additional electricity source.
All solar cells require a light absorbing material contained within the cell structure to absorb photons and generate electrons via the photovoltaic effect. The materials used in solar cells tend to have the property of preferentially absorbing the wavelengths of solar light that reach the earth surface. Some solar cells are optimized for light absorption beyond Earth's atmosphere, as well.
Referencias
- ^ Holley, Dennis (2017-05-31). GENERAL BIOLOGY I: Molecules, Cells and Genes. Dog Ear Publishing. ISBN 9781457552748.
- ^ Rogers, Ben; Adams, Jesse; Pennathur, Sumita (2014-10-28). Nanotechnology: Understanding Small Systems, Third Edition. CRC Press. ISBN 9781482211726.
- ^ Nahum, Alan M.; Melvin, John W. (2013-03-09). Accidental Injury: Biomechanics and Prevention. Springer Science & Business Media. ISBN 9781475722642.
- ^ Narula, G. K.; Narula, K. S.; Gupta, V. K. (1989). Materials Science. Tata McGraw-Hill Education. ISBN 9780074517963.
- ^ Arnold, Brian (2006-07-01). Science Foundation. Letts and Lonsdale. ISBN 9781843156567.
- ^ Group, Diagram (2009-01-01). The Facts on File Chemistry Handbook. Infobase Publishing. ISBN 9781438109558.
- ^ Mortimer, Charles E. (1975). Chemistry: A Conceptual Approach (3rd ed.). New York: D. Van Nostrad Company. ISBN 0-442-25545-4.
- ^ Bar-Cohen, Yoseph; Zacny, Kris (2009-08-04). Drilling in Extreme Environments: Penetration and Sampling on Earth and other Planets. John Wiley & Sons. ISBN 9783527626632.
- ^ "Ceramics". autocww.colorado.edu. Retrieved 2017-05-09.
- ^ Buffat, Ph.; Borel, J.-P. (1976). "Size effect on the melting temperature of gold particles". Physical Review A. 13 (6): 2287. Bibcode:1976PhRvA..13.2287B. doi:10.1103/PhysRevA.13.2287.
- ^ Walter H. Kohl (1995). Handbook of materials and techniques for vacuum devices. Springer. pp. 164–167. ISBN 1-56396-387-6.
- ^ Shpak, Anatoly P.; Kotrechko, Sergiy O.; Mazilova, Tatjana I; Mikhailovskij, Igor M (2009). "Inherent tensile strength of molybdenum nanocrystals". Science and Technology of Advanced Materials. 10 (4): 045004. Bibcode:2009STAdM..10d5004S. doi:10.1088/1468-6996/10/4/045004. PMC 5090266. PMID 27877304.
Enlace externo
- Solid (state of matter) at the Encyclopædia Britannica
 | To | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| Solid | Liquid | Gas | Plasma | ||
| From | Solid | Melting | Sublimation | ||
| Liquid | Freezing | Vaporization | |||
| Gas | Deposition | Condensation | Ionization | ||
| Plasma | Recombination | ||||
