“Física de Vidrios, Sólidos Amorfos y Cristales Desordenados” Miguel Angel Ramos PROGRAMA 1. INTRODUCCIÓN A LOS SÓLIDOS NO CRISTALINOS Introducción. Definiciones. Tipos de desorden. Sólidos amorfos. Cuasicristales. Vidrios. 2. MÉTODOS DE PREPARACIÓN DE SÓLIDOS AMORFOS Rápido enfriamiento del fundido. “Melt spinning”. Evaporación térmica. Deposición química de vapor. Procesos sol-gel. Amorfización inducida por presión. 3. EL ESTADO VÍTREO Y LA TRANSICIÓN VÍTREA La transición vítrea. La Paradoja de Kauzmann. Factores determinantes de la transición vítrea. Procesos de relajación en el vidrio y en el líquido sobrenfriado. Vidrios fuertes y vidrios frágiles: la clasificación de Angell. El paisaje de energías. Teorías antiguas y actuales de la transición vítrea. 4. ESTRUCTURA DE LOS SÓLIDOS AMORFOS El modelo de Zachariasen de la Red del Contínuo Aleatorio. Difracción. La función de distribución radial. Orden a corto y medio alcance. El Primer Pico Agudo de Difracción. Simulaciones por ordenador. 5. DINÁMICA ATÓMICA DE LOS SÓLIDOS AMORFOS Consecuencias de la falta de orden a largo alcance. Espectroscopías Raman, Infrarroja y Brillouin. El “pico bosónico”. Dispersión inelástica de neutrones. Métodos computacionales y simulaciones de dinámica molecular.

6. PROPIEDADES DE LOS SÓLIDOS NO CRISTALINOS A BAJAS TEMPERATURAS Las “anomalías universales” de los vidrios a bajas temperaturas. Calor específico. Conductividad térmica. Propiedades acústicas y dieléctricas. El modelo de “tunneling”. El modelo de potenciales blandos. Conexiones entre la transición vítrea y las propiedades a bajas temperaturas. 7. VARIAS FAMILIAS INTERESANTES DE VIDRIOS, SÓLIDOS AMORFOS Y CRISTALES DESORDENADOS Vidrios óxidos. Conductores superiónicos. Amorfos magnéticos. Cristales mixtos. Cristales plásticos y vidrios orientacionales. Vidrios moleculares de puentes de hidrógeno. Biomoléculas. La “Materia Blanda”. BIBLIOGRAFÍA Libros de texto más fundamentales:  S. R. Elliott, Physics of Amorphous Materials, 2nd ed. (Longman, 1990).  R. Zallen, The Physics of Amorphous Solids, (Wiley, 1983).  I. Gutzow, J. Schmelzer, The Vitreous State (Springer, 1995).  S. A. Brawer, Relaxation in viscous liquids and glasses (Am. Ceram. Soc., 1983). Ch. Enss and S. Hunklinger, Low-Temperature Physics (Springer, 2005). W. A. Phillips (ed.), Amorphous Solids: Low Temperature Properties (Topics in Current Physics, Vol. 24, Springer, 1981). Reviews especializados:  Science 267 (1995), pp. 1924-1953.  P. G. Debenedetti and F. H. Stillinger, Nature 410 , 259 (2001).  A. Cavagna, Physics Reports 476 , 51-124 (2009).  P. Esquinazi (ed.), Tunneling Systems in Amorphous and Crystalline Solids (Springer, 1998).  W. A. Phillips, Rep. Progr. Phys. 50 , 1657 (1987).

 = G    1013 - 1014 poise * ¿ Qué es un sólido ? 1. INTRODUCCIÓN A LOS SÓLIDOS NO CRISTALINOS * ¿ Qué es un sólido ?  Un material que no fluye, es decir, su viscosidad será:   1013 - 1014 poise Ecuación de Maxwell para el tiempo de relajación “transversal”:  = G 

Tipos de desorden: desorden topológico desorden de spin desorden vibracional desorden substitucional

CRISTAL AMORFO

Differential Scanning Calorimetry Differential Thermal Analysis

Para cristalizar por debajo de Tm, el líquido debe seguir dos procesos: NUCLEACION: debido a fluctuaciones termicas –o inducidas- pequeños grupos de partículas forman embriones o centros de nucleación ordenados, que se disuelven a menos que consigan un tamaño crítico. CRECIMIENTO: Nucleos de tamaño suficiente crecerán pues su energía libre decrecerá así. Cada curva tiene para cada sustancia su rango óptimo de temperaturas y de velocidades, determinando así cómo de bien y de rápido, y en que rango de temperaturas se producirá la cristalización.

nucleation rate rate of crystal growth

v = L (Tm-T) / 3a2Tm velocity of crystallization: El solape de ambas curvas determina una velocidad de cristalización efectiva, que se puede expresar aproximadamente por esta fórmula: Proporcional a L y a (Tm-T), termodinamicamente, pero a bajas temperaturas el gran aumento de la viscosidad hace más dificil el movimento molecular y vuelve a decrecer la velocidad de cristalización. Para conseguir un VIDRIO el objetivo es pasar la zona peligrosa (Tm – Tg) lo “más rapido” posible –- lo que puede ser facílisimo/dificilisimo según cada caso.

Tabla representativa de diferentes sólidos amorfos, sus tipos de enlace químico y sus temperaturas de transición vítrea:

sólidos amorfos que presentan DEFINICIONES Cristal perfecto: sólido en el que los átomos (o grupos de átomos) presentan una periodicidad perfecta, u orden traslacional a largo alcance, hasta el infinito. cuasicristales Sólidos desordenados SÓLIDOS NO CRISTALINOS = AMORFOS: los que no poseen orden traslacional a largo alcance VIDRIOS: sólidos amorfos que presentan “transición vítrea”

 Glow-discharge decomposition  Chemical vapor deposition 2. MÉTODOS DE PREPARACIÓN Y APLICACIONES DE LOS VIDRIOS Y LOS SÓLIDOS AMORFOS  Melt quenching  Splat cooling  Melt spinning  Thermal evaporation  Sputtering  Glow-discharge decomposition  Chemical vapor deposition  Sol-gel processes  Electrolytic deposition  Reaction amorphization  Irradiation  Pressure-induced amorphization  Solid-state diffusional amorphization

~ 10-3 K/s ~ 102 K/s ~ 105 K/s ~ 1010 K/s ~ 107 K/s melt quenching splat cooling thermal evaporation ~ 10-3 K/s ~ 102 K/s ~ 105 K/s ~ 1010 K/s ~ 107 K/s melt spinning

thermal evaporation sputtering glow-discharge decomposition

sol-gel processes

APLICACIONES DE LOS SÓLIDOS AMORFOS

xerografía