Cristalogénesis
La cristalogénesis o creiximent de cristals és el procés en el que un cristal preexistente es fa més gran a mida que s'agreguen més molècules o ions en les seues posicions en la ret cristalina o es desenrolla un cristal en una dissolució i es processa un major creiximent. Un cristal es definix com un conjunt d'àtoms, molècules o ions organisats segons un patró de repetició ordenada, una ret cristalina, que s'estén en les tres dimensions espacials. Per això, el creiximent dels cristals diferix del creiximent d'una gota líquida perque durant el creiximent les molècules o ions deuen situar-se en les posicions correctes de la ret per a que creixca un cristal ben ordenat. L'esquema mostra un eixemple molt simple d'un cristal en una celosía cúbica simple que creix en agregar una molècula adicional.
Quan les molècules o ions es disponen en posicions diferents de les d'una ret cristalina perfecta, es formen defectes cristalins. Generalment, les molècules o ions en una ret cristalina estan atrapats en el sentit de que no poden moure's de les seues posicions, per lo que el creiximent dels cristals és a sovint irreversible, ya que una volta que les molècules o ions s'han colocat en la ret en creiximent, es fixen en eixe lloc.
La cristalisació és un procés comú, tant en l'indústria com en el món natural, i s'entén generalment que la cristalisació consistix en dos processos: si no hi ha un cristal preexistente, llavors primer deu nuclearse un nou cristal, i després, segon, eixe cristal deu experimentar un creiximent.
Mecanismes de creiximent
[editar | editar còdic]
L'interfaç entre un cristal i el seu vapor pot ser molecularment nítida a temperatures molt per baix del punt de fusió. Una superfície cristalina ideal creix per extensió de capes individuals, o de manera equivalent, per l'alvanç lateral dels passos de creiximent que delimiten les capes. Per a taxes de creiximent perceptibles, este mecanisme requerix una força motriu finita (o grau de sobreenfriamiento) per a baixar la barrera de nucleación lo suficient com per a que ocórrega la nucleación per mig de fluctuacions tèrmiques.[1] En la teoria del creiximent dels cristals per fusió, Burton i Cabrera ha distinguit entre dos mecanismes principals que s'analisen a continuació.[2][3][4]
Creiximent lateral no uniforme
[editar | editar còdic]La superfície alvança pel moviment lateral de passos que són un espayat interplanar en altura (o algun múltiple sancer). Un element de superfície no sofrix cap canvi i no alvança normal a sí mateixa, llevat durant el pas d'un escaló, i després alvança per l'altura de l'escaló. És útil considerar el pas com la transició entre dos regions adjacents d'una superfície que són paraleles entre sí i, per lo tant, de configuració idèntica, desplaçades entre sí per un número entero de plans de celosía. Observe's ací la possibilitat clara d'un escaló en una superfície difusa, encara que l'altura de l'escaló siga molt menor que la gruixa de la superfície difusa.
Creiximent normal uniforme
[editar | editar còdic]La superfície alvança normal a sí mateixa sense la necessitat d'un mecanisme de creiximent gradual. Açò significa que en presència d'una força motriu termodinàmica suficient, cada element de la superfície és capaç d'experimentar un canvi continu que contribuïx a l'alvanç de l'interfaç. Per a una superfície esmolada o discontínua, este canvi continu pot ser més o menys uniforme en àrees extenses en cada nova capa successiva. Per a una superfície més difusa, el mecanisme de creiximent continu pot requerir canvis simultàneus en vàries capes successives .
El creiximent lateral no uniforme és un moviment geomètric per passos, en oposició al moviment de tota la superfície normal a sí mateixa. Alternativament, el creiximent normal uniforme es basa en la seqüència temporal d'un element de superfície. En este modo, no hi ha moviment ni canvi, llevat quan un pas succeïx via un canvi continu. La predicció de quin mecanisme estarà operatiu baix qualsevol conjunt de condicions donades és fonamental per a la comprensió del creiximent del cristal. S'han utilisat dos criteris per a fer esta predicció:
- Si la superfície és difusa o no: una superfície difusa és aquella en la que el canvi d'una fase a una atra és continu, i ocorre en varis plans atòmics. Açò contrasta en una superfície esmolada per a la que el canvi principal en la propietat (per eixemple, la densitat o la composició) és discontinu, i generalment es llimita a la profunditat d'una distància interplanar.[5][6]
- Independentment de si la superfície és singular o no: una superfície singular és aquella en la que la tensió superficial en funció de l'orientació té un mínim puntagut. Se sap que el creiximent de superfícies singulars requerix passos, mentres que generalment se sosté que les superfícies no singulars poden alvançar de manera contínua normal a sí mateixes.[7]
Força motriu
[editar | editar còdic]Consideren-se a continuació els requisits necessaris per a l'aparició de creiximent lateral. És evident que el mecanisme de creiximent lateral es trobarà quan qualsevol àrea en la superfície puga alcançar un equilibri metaestable en presència d'una força motriu. Llavors, tendirà a permanéixer en una configuració d'equilibri fins al passage d'un pas. Despuix, la configuració serà idèntica, excepto que cada part del pas, pero haurà alvançat per l'altura del pas. Si la superfície no pot alcançar l'equilibri en presència d'una força motriu, llavors continuarà alvançant sense esperar el moviment lateral dels passos.
Per lo tant, Cahn va concloure que la característica distintiva és la capacitat de la superfície per a alcançar un estat d'equilibri en presència de la força motriu. També va concloure que per a cada superfície o interfaç en un mig cristalí, existix una força motriu crítica que, si s'excedix, permetrà que la superfície o interfaç alvance perpendicular a sí mateixa i, si no s'excedix, requerirà el mecanisme de creiximent lateral. .
Per lo tant, per a forces d'accionament suficientment grans, l'interfaç pot moure's uniformemente sense el benefici d'un mecanisme heterogéneu de nucleación o de recalcada de tornell. Qué constituïx una força motriu suficientment gran depén de la difusividad de l'interfaç, de modo que per a interfaços extremadament difusas, esta força motriu crítica serà tan chicoteta que qualsevol força motriu mesurable l'excedirà. Alternativament, per a interfaços esmolats, la força motriu crítica serà molt gran, i la major part del creiximent es produirà pel mecanisme d'escaló lateral.
Tinga's en conte que en un procés típic de solidificació o cristalisació, la força motriu termodinàmica és dictada pel grau de sobreenfriamiento.
Morfologia
[editar | editar còdic]
En general, es creu que les propietats mecàniques, i unes atres, del cristal també són pertinents en este tema, i que la morfologia del cristal proporciona l'esclavó perdut entre la cinètica del creiximent i les propietats físiques. L'aparat termodinàmic necessari va ser proporcionat per l'estudi de l'equilibri heterogéneu de Josiah Willard Gibbs. Va proporcionar una definició clara de l'energia superficial, per mig de la qual el concepte de tensió superficial s'aplica tant als sòlits com als líquits. També va apreciar que «una energia lliure superficial anisotrópica implicava una forma d'equilibri no esfèrica» (an anisotropic surface free energy implied a senar-spherical equilibrium shape), que deuria definir-se termodinámicamente com «la forma que minimisa l'energia lliure superficial total» (the shape which minimizes the total surface free energy).[8]
Pot ser ilustrativo observar que el creiximent dels whiskers (litque pot traduir-se per 'barba', 'pèl' o 'bigot') proporciona el víncul entre el fenomen mecànic de l'alta resistència en els whiskers i els diversos mecanismes de creiximent que són responsables de les seues morfologia fibrosas. (Abans del descobriment dels nanotubos de carbono, els whiskers de monocristal tenien la major resistència a la tracció de tots els materials coneguts). Alguns mecanismes produïxen whiskers sense defectes, mentres que uns atres poden tindre recalcada d'un sol tornell a lo llarc de l'eix principal del creiximent, lo que produïx whiskers d'alta resistència.
El mecanisme que està darrere del creiximent dels bigots no es coneix be, pero sembla estar fomentat pels esforços mecànics de compressió, inclosos els esforços induïts mecánicament, els esforços induïts per la difusió de diferents elements i els esforços induïts tèrmicament. Els whiskers metàlics diferixen de les dendritas metàliques en varis aspectes. Les dendritas tenen forma de falaguera, com les branques d'un arbre, i creixen a través de la superfície del metal. En contrast, els whiskers són fibrosos i es proyecten en àngul recte a la superfície de creiximent, o substrat.
Difusió-control
[editar | editar còdic]
Molt a sovint, quan la sobresaturación (o el grau de sobreenfriamiento) és alta, i en ocasions inclús quan no és alta, la cinètica de creiximent pot estar controlada per la difusió. En eixes condicions, la forma de cristal polièdric serà inestable i brotaran protuberàncies en els seus cantons i vores a on el grau de sobresaturación està en el seu nivell més alt. Les puntes d'estes protuberàncies seran clarament els punts de major sobresaturación. En general, es creu que la protuberància es farà més llarga (i més prima en la punta) fins que l'efecte de l'energia lliure interfacial en l'aument del potencial químic frene el creiximent de la punta i mantinga un valor constant per a la gruixa de la punta.[9]
En el procés posterior de engrosamiento de la punta, deu haver una inestabilitat de forma corresponent. Els bultos menors o "protuberàncies" deuen ser exagerades i convertir-se en branques laterals de ràpit creiximent. En tal situació inestable (o metaestable), els graus menors d'anisotropía deurien ser suficients per a determinar les direccions de ramificació i de creiximent significatives. L'aspecte més atractiu d'este argument, per supost, és que produïx les característiques morfològiques primàries del creiximent dendrítico.
Referències
[editar | editar còdic]- ↑ Volmer, M., "Kinetic der Phasenbildung", T. Steinkopf, Dresden (1939)
- ↑ (1949).«Crystal growth and surface structure. Part I».Discussions of the Faraday Society.5
- 33.doi:10.1039/DF9490500033.
- ↑ (1949).«Crystal growth and surface structure. Part II».Discuss. Faraday Soc..5
- 40–48.doi:10.1039/DF9490500040.
- ↑ E.M. Aryslanova, A.V.Alfimov, S.A. Chivilikhin, "Model of porous aluminum oxide growth in the initial stage of anodization", Nanosystems: physics, chemistry, mathematics, October 2013, Volume 4, Issue 5, pp 585
- ↑ (1951).«The Growth of Crystals and the Equilibrium Structure of their Surfaces».Philosophical Transactions of the Royal Society A.243(866)
- 299.doi:10.1098/rsta.1951.0006.
- ↑ Jackson, K.A. (1958) in Growth and Perfection of Crystals, Doremus, R.H., Roberts, B.W. and Turnbull, D. (eds.). Wiley, New York.
- ↑ (1959).«The structure of crystal surfaces».Discussions of the Faraday Society.28
- 16.doi:10.1039/DF9592800016.
- ↑ Gibbs, J.W. (1874–1878) On the Equilibrium of Heterogeneous Substances, Collected Works, Longmans, Green & Co., New York. PDF
- Archivat el 26 de octubre de 2012 archivat en Wayback Machine., archive.org
- ↑ S.Ghosh, R.Gupta, S.Ghosh" Effect of free energy barrier on pattern transition in 2D diffusion limited aggregation morphology of electrodeposited copper"
- Este artícul conté una traducció derivada de «Cristalogénesis» de Wikipedia en castellà publicada baix la Llicència de documentació lliure de GNU i la Llicència Creative Commons Reconeiximent-CompartirIgual 4.0 Internacional.