Defecto intersticial

En la ciencia de los materiales , un defecto intersticial es un tipo de defecto cristalográfico puntual en el que un átomo del mismo tipo o de un tipo diferente ocupa un sitio intersticial en la estructura cristalina . Cuando el átomo es del mismo tipo que los que ya están presentes se conocen como un defecto autointersticial . Alternativamente, los átomos pequeños en algunos cristales pueden ocupar sitios intersticiales, como el hidrógeno en el paladio . Los intersticiales se pueden producir bombardeando un cristal con partículas elementales que tengan una energía superior al umbral de desplazamiento para ese cristal, pero también pueden existir en pequeñas concentraciones en equilibrio termodinámico . La presencia de defectos intersticiales puede modificar las propiedades físicas y químicas de un material.

La idea de los compuestos intersticiales surgió a finales de la década de 1930 y a menudo se los llama fases de Hagg en honor a Hägg. ^[1] Los metales de transición generalmente cristalizan en estructuras hexagonales compactas o cúbicas centradas en las caras , que pueden considerarse formadas por capas de átomos compactados hexagonalmente. En estas dos redes muy similares hay dos tipos de intersticios o huecos:

• Dos agujeros tetraédricos por átomo de metal, es decir, el agujero está entre cuatro átomos de metal.
• Un agujero octaédrico por átomo de metal, es decir, el agujero está entre seis átomos de metal.

Los primeros trabajadores sugirieron que:

• La red metálica no se vio relativamente afectada por el átomo intersticial.
• La conductividad eléctrica era comparable a la del metal puro.
• Había una variedad de composiciones
• El tipo de intersticio ocupado estaba determinado por el tamaño del átomo.

Estos no eran vistos como compuestos, sino más bien como soluciones, por ejemplo de carbono, en la red metálica, con una “concentración” superior limitante del átomo más pequeño que estaba determinada por el número de intersticios disponibles.

Un conocimiento más detallado de las estructuras de los metales y de las fases binarias y ternarias de los metales y no metales muestra que:

• Generalmente, en bajas concentraciones del átomo pequeño, la fase puede describirse como una solución, y esto se aproxima a la descripción histórica de un compuesto intersticial anterior.
• A concentraciones más altas del átomo pequeño, pueden estar presentes fases con diferentes estructuras reticulares, y estas pueden tener un rango de estequiometrías .

Un ejemplo es la solubilidad del carbono en el hierro. La forma de hierro puro estable entre 910 °C y 1390 °C, el hierro gamma, forma una solución sólida con el carbono denominada austenita , que también se conoce como acero .

Los defectos autointersticiales son defectos intersticiales que contienen únicamente átomos que son los mismos que los que ya están presentes en la red.

Se ha determinado experimentalmente la estructura de los defectos intersticiales en algunos metales y semiconductores .

Contrariamente a lo que uno podría esperar intuitivamente, la mayoría de los autointersticiales en metales con una estructura conocida tienen una estructura "dividida", en la que dos átomos comparten el mismo sitio reticular. ^{[2] [3]} Normalmente, el centro de masa de los dos átomos está en el sitio reticular, y se desplazan simétricamente desde él a lo largo de una de las direcciones reticulares principales . Por ejemplo, en varios metales cúbicos centrados en las caras (fcc) comunes, como el cobre, el níquel y el platino, la estructura del estado fundamental del autointersticial es la estructura intersticial dividida [100], donde dos átomos se desplazan en una dirección positiva y negativa [100] desde el sitio reticular. En el hierro cúbico centrado en el cuerpo (bcc), la estructura intersticial del estado fundamental es de manera similar una intersticial dividida [110].

Estos intersticiales divididos a menudo se denominan intersticiales tipo mancuerna, porque al representar gráficamente los dos átomos que forman el intersticial con dos esferas grandes y una línea gruesa que las une, la estructura se asemeja a un dispositivo de levantamiento de pesas con mancuernas .

En otros metales bcc distintos del hierro, se cree, basándose en cálculos recientes de la teoría funcional de la densidad, que la estructura del estado fundamental es el intersticial crowdion [111], ^[4] que puede entenderse como una cadena larga (normalmente unos 10-20) de átomos a lo largo de la dirección de la red [111], comprimida en comparación con la red perfecta de modo que la cadena contiene un átomo adicional.

En los semiconductores la situación es más compleja, ya que los defectos pueden estar cargados y los diferentes estados de carga pueden tener estructuras diferentes. Por ejemplo, en el silicio, el intersticial puede tener una estructura dividida [110] o una estructura tetraédrica verdaderamente intersticial. ^[5]

El carbono, especialmente en el grafito y el diamante, tiene una serie de autointersticiales interesantes: uno recientemente descubierto mediante cálculos de aproximación de densidad local es el "espiro-interesticial" en el grafito, llamado así por el espiropentano , ya que el átomo de carbono intersticial está situado entre dos planos basales y unido en una geometría similar al espiropentano. ^[6]

Los átomos intersticiales de impurezas pequeñas suelen estar en sitios intersticiales verdaderos entre los átomos de la red. Los intersticiales de impurezas grandes también pueden estar en configuraciones intersticiales divididas junto con un átomo de la red, similares a las del átomo autointersticial.

Los intersticiales modifican las propiedades físicas y químicas de los materiales.

• Los átomos de carbono intersticiales tienen un papel crucial para las propiedades y el procesamiento de los aceros, en particular de los aceros al carbono .
• Los intersticiales de impurezas se pueden utilizar, por ejemplo, para el almacenamiento de hidrógeno en metales.
• La red cristalina puede expandirse con la concentración de intersticiales de impurezas.
• La amorfización de semiconductores como el silicio durante la irradiación de iones se explica a menudo por la acumulación de una alta concentración de intersticiales que conduce finalmente al colapso de la red a medida que se vuelve inestable. ^{[7] [8]}
• La formación de grandes cantidades de intersticios en un sólido puede provocar una importante acumulación de energía, cuya liberación puede incluso provocar graves accidentes en algunos tipos antiguos de reactores nucleares ( efecto Wigner ). Los estados de alta energía pueden liberarse mediante recocido .
• Al menos en la red fcc, los intersticiales tienen un gran efecto de ablandamiento diaelástico sobre el material. ^[9]
• Se ha propuesto que los intersticiales están relacionados con el inicio de la fusión y la transición vítrea . ^{[10] [11] [12]}