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Definición de Cristalización

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 {f.} Acción y efecto de cristalizar o cristalizarse.
 Cosa cristalizada.

 [Cristalografía] Cristalización.

La cristalización tiene por objeto llevar un cuerpo a la forma de sólido cristalino partiendo de la sustancia fundida, disuelta o en algunos casos, en fase de vapor. Puede producirse de diversas maneras: enfriando sólidos derretidos, por sublimación de sólidos, colocando un germen de un cristal en una solución saturada y enfriando o evaporando la solución etc. Este último método es el más común: al enfriar o evaporar se consigue que disminuya la cantidad de soluto soluble y que las partículas abandonen la disolución y se unan al germen del cristal, que permanece en suspensión en la disolución. La cristalización puede emplearse para purificar sustancias, como por ejemplo las sales disueltas en un líquido del cual se extraen por cristalización.

Crecimiento de cristales.

Técnica de construcción de cristales mediante la cual se intenta comprender, predecir y controlar la forma y la morfología de los cristales, quienes determinan la microestructura y la distribución de impurezas, dislocaciones e imperfecciones del cristal, que son los parámetros que determinan las propiedades físicas de la materia cristalina.

De entre las diferentes técnicas de crecimiento cristalino de que se disponen, destacan por ser las más utilizadas las siguientes:

-Crecimiento a partir de la fase fundida de la sustancia (solidificación).
-Crecimiento a partir de la fase gas.
-Crecimiento a partir de diferentes disoluciones, como las acuosas, las de sales fundidas, etc.
-Crecimiento por precipitación de una disolución sólida.
-Crecimiento mediante una reacción química de transporte.
-Crecimiento epitaxial (ordenado) a partir de la fase vapor o de una disolución.
-Electrocristalización.
-Crecimiento a partir de la fase sólida por recocido y eliminación de tensiones reticulares.

Estos procesos se observan bien mediante el diagrama de fases del sistema, que muestra las regiones de equilibrio entre la fase cristalina y las distintas fases a partir de la cual puede crecer: líquido, vapor, solución o sólido; al modificar los parámetros externos como temperatura o concentración.

La predicción de la morfología de los cristales no es fácil, dado que está controlada simultáneamente y en proporciones variables por los efectos de transporte, tanto de flujo de calor como de soluto, en el volumen y por efectos cinéticos.

A menos que exista un núcleo cristalino, deberá existir, en el proceso de solidificación, un proceso de nucleación consistente en la formación de pequeñas partículas en la nueva fase (partículas madre), a partir de las cuales se van agregando partículas sólidas. Esta nucleación se produce cuando alguna de las variables termodinámicas, como temperatura, presión o concentración, se desvía de su valor de equilibrio. Generalmente, se supone que el proceso de nucleación tiene lugar mediante un proceso de fluctuación aleatorio y heterofásico, análogo a las fluctuaciones de densidad de un gas. Así, se forman primero dímeros, luego trímeros y paulatinamente especies de mayor número de átomos, siendo los más numerosos aquellos que presentan una vida media más breve y menor concentración. A través de un balance apropiado entre la energía libre de formación de un aglomerado de átomos y su energía superficial, se puede llegar a definir un parámetro relacionado con el tamaño crítico del embrión necesario para la nucleación.

Las partículas de mayor tamaño tienen tendencia a crecer y las de menor tamaño tienden a disolverse. El número de estos núcleos críticos depende sensiblemente de la temperatura y de la concentración de soluto, de manera que una variación de la temperatura de unos pocos grados durante el enfriamiento puede provocar una variación de muchos órdenes de magnitud en la velocidad de la nucleación.

Uno de los factores decisivos en la estructura del proceso de cristalización a partir de la fase vapor de la substancia resulta ser la supersaturación de la mezcla, que es el cociente entre la presión y la presión de vapor en equilibrio. Experimentalmente, se observa que es necesario un valor aproximado de supersaturación de 10 para nuclear nuevos cristales, 5 para formar gotas líquidas y 1,5 para formar una monocapa de moléculas en la superficie de un cristal perfecto, lo que indica lo difícil que es nuclear una nueva capa atómica. Para valores más altos de supersaturación se observan a veces el crecimiento de cristales unidimensionales, de dimensiones reducidas (10- 4cm), llamados whiskers, con la misma estructura que una dislocación helicoidal.

De entre los muchos modelos teóricos que se han propuesto para calcular la nucleación y la estructura y cinética de la interfase, destaca para los cristales el modelo BCF, debido a Burton, Cabrera y Franck, quienes señalaron en 1949 que el crecimiento tiene lugar en los escalones producidos en los puntos de emergencia de una dislocación helicoidal en la superficie de un cristal.

Este mecanismo es debido a que en un escalón, un átomo se encuentra más fuertemente enlazado que en una superficie plana, dado que es mayor el número de enlaces que establece. Recientemente, los cada vez más potentes ordenadores han permitido calcular con el método MonteCarlo la condensación átomo a átomo de hasta 1600 átomos. En la simulación se supone que los átomos se colocan al azar en una superficie inicialmente plana, dependiendo su evaporación del número de átomos que son sus vecinos. De esta forma se puede simular la estructura de la interfase sólido-vapor y también el crecimiento superficial, mejorando los resultados obtenidos haciendo simulaciones estadísticas como el modelo de Ising.

A menudo se observa que las formas adoptadas por los cristales no son estables, como por ejemplo, las vistosas formas de cristalización de la nieve. Esto suele ser debido al efecto desestablizador producido por la difusión, tanto de calor como de soluto, sobre una pequeña protuberancia. Este efecto puede ser contrarrestado con un aumento de la energía superficial.

La perfección cristalina no depende sólo de las características de su formación y crecimiento, aunque es, sin duda, una de las etapas clave. Posteriores manipulaciones mecánicas o recocidos térmicos pueden alterar sensiblemente la concentración y el tipo de defectos en la red cristalina. Como medio de controlar el número y tipo de defectos se suelen utilizar gradientes de temperatura en la dirección de solidificación, con el fin de evitar el subenfriamiento constitucional y prevenir el crecimiento celular debido a una inestabilidad morfológica. Entre la gran cantidad de técnicas de caracterización de cristales, destaca por su eficacia la topografía de rayos X. Otros tipos de defectos, que presenten actividad óptica o eléctrica, suelen controlarse midiendo magnitudes físicas como la absorción o la resistividad.

Aunque los físicos muestren gran interés por los cristales, bien por tratarse de objetos excelentes para medir sus propiedades físicas, bien por lo que tiene de complejo y fascinante sus mecanismos de crecimiento, no puede ignorarse que los mayores avances en la tecnología del crecimiento cristalino se deben a la enorme demanda para la fabricación de productos industriales o de consumo. Esta demanda procede de la industria electrónica, óptica y de telecomunicaciones, y se centra en materiales como el silicio y el germanio para transistores, GaP para la construcción de diodos emisores de luz, granates magnéticos aptos para la construcción de materiales magnéticos con dominios en forma de burbujas o rubíes para láseres. La producción anual de nuevos cristales o nuevos medios de crecimiento cristalino se cifran en unos cien, según la revista especializada Journal of crystal growth.

Temas relacionados.

Cristalografía.
Mineralogía.

Bibliografía.

C.KITTEL, C.Introduction to solid state physics. Nueva Yorkk, Wiley, 1986.
ZANGWILL, A.Physics at surfaces. Inglaterra, Cambridge University Press, 1988.
JJ.

CRISTALIZACIÓN

Fuente: Britannica

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