2_2014_Struttura dei solidi
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STRUTTURA DEI SOLIDI I solidi possono essere classificati in funzione della regolarità con cui gli atomi o gli ioni si dispongono nello spazio. Un materiale è detto cristallino se caratterizzato da configuarazioni atomiche ordinate a lungo raggio, nelle 3 direzioni dello spazio. Gli atomi si dispongono in modo da formare un reticolo tridimensionale ordinato e ripetitivo, nel quale ciascun atomo forma legami con gli atomi a lui più vicini. Se la solidificazione avviene in condizioni normali, tutti i metalli, molti ceramici e solo alcuni polimeri formano strutture cristalline. I materiali che non presentano una struttura ordinata a lungo raggio sono detti non cristallini o amorfi. Alcune proprietà dei solidi dipendono dalla loro struttura cristallina, ovvero dalla modalità in cui atomi/ioni/molecole si dispongono nello spazio. Vi sono diverse strutture cristalline, molto semplici nei metalli, molto complesse per alcuni ceramici e polimeri. Per una struttura, il reticolo è una griglia (modello) tridimensionale nella quale i punti di intersezione delle diverse linee coincidono con i centri delle posizioni occupate dagli atomi. L’ordine atomico presente nelle strutture cristalline deriva dalla presenza di gruppi di atomi che si dispongono secondo una disposizione geometrica ripetitiva. Pertanto e’ molto conveniente conviene descrivere le strutture cristalline come la ripetizione della piu’ piccola unita’ ordinata ripetitiva (cella unitaria). Nella maggior parte delle strutture cristalline le celle unitarie hanno la forma geometrica di un parallelepipedo o di un prisma con tre coppie di facce parallele. È caratterizzata dagli angoli α, β, γ e dalle lunghezze dei lati a,b,c. Le strutture cristalline possibili sono molto numerose. Tuttavia si puo’ dimostrare che sono necessari solo sette sistemi cristallini diversi per dare origine a tutti i possibili tipi di reticolo (ortorombico) (trigonale) Nel 1848, A.Bravais dimostrò che vi sono in tutto 14 possibili distribuzioni spaziali degli atomi nei sette sistemi cristallografici Alcuni materiali possono presentare più di una struttura cristallina. Questo fenomeno è detto polimorfismo o, se compare nei solidi elementari, allotropia. Esempio di polimorfismo:. Esempio di allotropia: il C a temperatura ambiente è sotto forma di grafite, ad elevate pressioni prevale la forma allotropica del diamante. La grafite è composta da strati di atomi di carbonio organizzati in strutture esagonali, dove ogni atomo di carbonio è fortemente legato ai tre atomi vicini nello stesso strato e debolmente legato agli atomi degli strati adiacenti. Nel diamante, invece, ogni atomo di carbonio è fortemente legato ai quattro atomi di carbonio vicini nella struttura cristallina cubica che lo compone. Le diverse geometrie delle strutture cristalline di diamante e grafite sono l’unica causa delle enormi differenze tra le proprietà di questi due materiali. I MONOCRISTALLI Se in un solido cristallino gli atomi sono perfettamente ordinati secondo una ripetizione periodica per tutto il solido senza interruzione, si ha un monocristallo. Monocristalli esistono in natura, ma possono anche essere prodotti artificialmente, benchè la loro sintesi sia estremamente difficile in quanto richiede processi altamente controllati. I monocristalli sono importanti in molte tecnologie avanzate, in particolare nei microcircuiti elettronici, che impiegano monocristalli di Si o di altri semiconduttori. Se le estremità di un monocristallo possono crescere senza vincoli esterni, il cristallo assume forma geometrica regolare con facce piane e con forma indicativa della struttura cristallina. MATERIALI POLICRISTALLINI Gran parte dei solidi cristallini, però, sono costituiti da aggregati di cristalli molto piccoli (grani). Inizialmente si formano piccoli cristalli (grani) in posizioni diverse, con orientazioni casuali. I grani crescono e quando il processo si avvicina al termine, le estremità dei grani adiacenti si urtano. La regione dove i grani entrano in contatto sono detti bordi di grano. Schematizzazione del processo di solidificazione di un materiale policristallino ANISOTROPIA È il fenomeno per cui le proprietà fisiche di alcuni monocristalli dipendono dalla direzione lungo la quale vengono misurate; ciò è dovuto alla differente distanza fra gli atomi/ioni nel cristallo nelle differenti direzioni. I materiali per cui le proprietà invece non dipendono dalla direzione di misura sono detti isotropi. I materiali policristallini (con i grani orientati casualmente) si comportano come materiali isotropi; infatti, anche se ogni grano è isotropo, la proprietà misurata rappresenta la media dei valori nelle differenti direzioni. SOLIDI NON CRISTALLINI I solidi non cristallini (amorfi o liquidi sottoraffreddati) mancano di una disposizione sistematica e regolare degli atomi su distanze atomiche relativamente grandi. Il fatto che si formi un solido cristallino o amorfo dipende dalla facilità con cui un una struttura atomica, che nel liquido ha disposizione casuale, possa trasformarsi nella solidificazione in un sistema ordinato. I metalli e alcuni ceramici sono cristallini, altri, come i vetri inorganici, amorfi. I polimeri sono o completamente amorfi o parzialmente cristallini (con diversi gradi di cristallinità)
