Capítulo Introductorio: Materiales Nanocristalinos

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Introducción

Los materiales nanocristalinos han sido un tema de investigación candente en los últimos 30 años. Estos materiales abundan en la industria, cerrando la brecha entre los objetos moleculares y a macroescala. Los materiales nanocristalinos son policristales monofásicos o multifásicos de grano ultrafino con tamaños de grano en el rango de 1-100 nm, como se muestra en la Figura 1, la imagen de microscopía electrónica de transmisión (TEM) del revestimiento nanocristalino basado en Fe. De hecho, los tamaños extremadamente pequeños y una fracción de gran volumen de los átomos se encuentran en los límites del grano; por otro lado, estos materiales consisten en aproximadamente 50 vol.% de componente cristalino y 50 vol.% componente interfacial.

Figura 1.

Imagen TEM de revestimiento nanocristalino basado en Fe (imagen no publicada).

Es reconocible que los nanocristales se especifican típicamente como cualquier cosa, como materiales policristalinos de grano pequeño, superficies nanosintetizadas, nanopartículas y micelas poliméricas; cada uno de ellos tiene usos variados, desde la administración de fármacos hasta supercondensadores, catalizadores y sensores. Estos materiales son de interés por las siguientes razones:

  1. Las propiedades de los materiales nanocristalinos difieren de las propiedades de los monocristales y los policristales de grano grueso y son amorfos con la misma composición química. Esta desviación está fuertemente relacionada con el tamaño reducido de los cristalitos, así como con la gran cantidad de límites de grano entre los cristalitos adyacentes.

  2. El concepto de materiales nanocristalinos parece autorizar la aleación de componentes que son inmiscibles en estado sólido o fundido. Estas aleaciones fabricadas podrían ser buenos candidatos para propiedades avanzadas y tecnológicamente maravillosas.

Se ve claramente que a escala nanométrica, los materiales nanocristalinos contienen una fracción de volumen de límite de grano alto; por lo tanto, los límites de grano y sus interacciones con el cristal juegan un papel notable en las diferentes propiedades. Es importante señalar que esos materiales nanocristalinos, como nueva generación de materiales avanzados, tienen propiedades superiores a los materiales policristalinos de grano grueso convencionales. Exhiben propiedades mecánicas y físicas sobresalientes, como alta resistencia y dureza, bajo módulo elástico, ductilidad/tenacidad mejorada, excelente resistencia a la fatiga y al desgaste, mayor difusividad, mayor resistividad eléctrica, densidad reducida, mayor coeficiente de expansión térmica, calor específico mejorado, menor conductividad térmica y mejores propiedades magnéticas suaves.

Los materiales nanocristalinos se pueden fabricar mediante condensación de gas, deposición de plasma, técnica de conversión por pulverización, aleación mecánica y algunos otros métodos. Obviamente, hay dos enfoques para fabricar los materiales nanocristalinos: «de arriba hacia abajo «y» de abajo hacia arriba».»Ambos enfoques desempeñan un papel importante en la industria y tienen algunas ventajas y desventajas. El enfoque ascendente no es nada nuevo en la síntesis de materiales y a menudo se enfatiza en la literatura sobre nanotecnología. De hecho, la síntesis típica de materiales es construir átomo por átomo a gran escala y se ha utilizado durante más de un siglo en aplicaciones industriales. El enfoque ascendente menciona la acumulación de un material desde el fondo como molécula por molécula, átomo por átomo o cúmulo por cúmulo. En el proceso de crecimiento de los cristales, las especies de crecimiento, como átomos, moléculas e iones, se ensamblan en la estructura cristalina una tras otra después de impactar en la superficie de crecimiento. El enfoque ascendente también promete una oportunidad preferible de obtener materiales nanocristalinos con menos defectos, una composición química más homogénea y pedidos de corto y largo alcance más altos. Es reconocible que el enfoque ascendente está impulsado principalmente por la reducción de la energía libre de Gibbs (ΔG), de modo que los materiales nanocristalinos están en un estado más cercano a un estado de equilibrio termodinámico. En contraste con esto, el enfoque de arriba hacia abajo lo más probable es que inserte tensión interna, además de contaminaciones y defectos superficiales. El desgaste o fresado de bolas es un método genérico de arriba hacia abajo en la fabricación de nanoestructuras, mientras que la dispersión coloidal o la reducción a base de gas es un ejemplo habitual de enfoque ascendente. El primero produce estructuras policristalinas con cristalografía irreproducible y orientación de grano mal controlada. Este último ha generado una colección reproducible de estructuras y arquitecturas, que incluyen aleaciones, metales puros, nanoestructuras anisotrópicas y capas de núcleo. En litografía, el proceso se puede asumir como un enfoque híbrido, ya que el crecimiento de película delgada es de abajo hacia arriba y el grabado es de arriba hacia abajo, mientras que la nanolitografía generalmente es un enfoque de abajo hacia arriba.

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