Cristal

Un cristal o sólido cristalino es un material sólido cuyos constituyentes (como átomos , moléculas o iones ) están dispuestos en una estructura microscópica altamente ordenada, formando una red cristalina que se extiende en todas las direcciones. ^{[ 1 ] [ 2 ]} Además, los monocristales macroscópicos suelen ser identificables por su forma geométrica , que consiste en caras planas con orientaciones específicas y características. El estudio científico de los cristales y su formación se conoce como cristalografía . El proceso de formación de cristales mediante mecanismos de crecimiento cristalino se denomina cristalización o solidificación .

La palabra cristal deriva de la palabra griega antigua κρύσταλλος ( krustallos ), que significa " hielo " y " cristal de roca ", ^{[ 3 ]} de κρύος ( kruos ), "gélido, escarcha". ^{[ 4 ] [ 5 ]}

Ejemplos de cristales grandes incluyen los copos de nieve , los diamantes y la sal de mesa . La mayoría de los sólidos inorgánicos no son cristales, sino policristales , es decir, muchos cristales microscópicos fusionados en un solo sólido. Los policristales incluyen la mayoría de los metales , rocas, cerámicas y hielo . Una tercera categoría de sólidos son los sólidos amorfos , donde los átomos no tienen ninguna estructura periódica. Ejemplos de sólidos amorfos incluyen el vidrio , la cera y muchos plásticos .

A pesar de su nombre, el cristal de plomo, el vidrio de cristal y los productos relacionados no son cristales, sino tipos de vidrio, es decir, sólidos amorfos.

Los cristales, o sólidos cristalinos, se utilizan a menudo en prácticas pseudocientíficas como la cristaloterapia y, junto con las piedras preciosas , a veces se asocian con la magia en las creencias wiccanas y movimientos religiosos relacionados. ^{[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]}

Halita (sal de mesa, NaCl): Microscópica y macroscópica

Estructura microscópica de un cristal de halita . (El color púrpura representa el ion sodio , el verde el ion cloro ). La disposición de los átomos presenta simetría cúbica.

Cristal de halita macroscópico (~16 cm). Los ángulos rectos entre las caras del cristal se deben a la simetría cúbica de la disposición de los átomos.

La definición científica de "cristal" se basa en la disposición microscópica de los átomos en su interior, denominada estructura cristalina . Un cristal es un sólido donde los átomos forman una disposición periódica. ( Los cuasicristales son una excepción; véase más abajo ).

No todos los sólidos son cristales. Por ejemplo, cuando el agua líquida comienza a congelarse, el cambio de fase comienza con pequeños cristales de hielo que crecen hasta fusionarse, formando una estructura policristalina . En el bloque de hielo final, cada uno de los pequeños cristales (llamados " cristalitos " o "granos") es un verdadero cristal con una disposición periódica de átomos, pero el policristal en su conjunto no tiene una disposición periódica de átomos, porque el patrón periódico se rompe en los límites de los granos . La mayoría de los sólidos inorgánicos macroscópicos son policristalinos, incluyendo casi todos los metales , cerámicas , hielo , rocas , etc. Los sólidos que no son ni cristalinos ni policristalinos, como el vidrio , se denominan sólidos amorfos , también llamados vítreos o no cristalinos. Estos no tienen orden periódico, ni siquiera a nivel microscópico. Existen diferencias claras entre los sólidos cristalinos y los sólidos amorfos: la más notable es que el proceso de formación de un vidrio no libera el calor latente de fusión , mientras que la formación de un cristal sí.

Una estructura cristalina (una disposición de átomos en un cristal) se caracteriza por su celda unitaria , una pequeña caja imaginaria que contiene uno o más átomos en una disposición espacial específica. Las celdas unitarias se apilan en el espacio tridimensional para formar el cristal.

La simetría de un cristal está limitada por el requisito de que las celdas unitarias se apilen perfectamente sin huecos. Hay 219 posibles simetrías cristalinas (comúnmente se citan 230, pero esto trata los equivalentes quirales como entidades separadas), llamadas grupos espaciales cristalográficos . ^{[ 9 ]} Estos se agrupan en 7 sistemas cristalinos , como el sistema cristalino cúbico (donde los cristales pueden formar cubos o cajas rectangulares, como la halita que se muestra a la derecha) o el sistema cristalino hexagonal (donde los cristales pueden formar hexágonos, como el hielo de agua común ).

Los cristales se reconocen comúnmente, macroscópicamente, por su forma, que consiste en caras planas con ángulos agudos. Estas características de forma no son necesarias para un cristal —un cristal se define científicamente por su disposición atómica microscópica, no por su forma macroscópica—, pero la forma macroscópica característica suele estar presente y es fácil de observar.

Los cristales euhedrales son aquellos que tienen caras planas bien definidas y claramente visibles. Los cristales anhedrales no las tienen, generalmente porque el cristal es un solo grano en un sólido policristalino.

Las caras planas (también llamadas facetas ) de un cristal euhedral están orientadas de una manera específica con respecto a la disposición atómica subyacente del cristal : son planos con un índice de Miller relativamente bajo . ^{[ 10 ]} Esto ocurre porque algunas orientaciones de la superficie son más estables que otras (menor energía superficial ). A medida que el cristal crece, los nuevos átomos se adhieren fácilmente a las partes más rugosas y menos estables de la superficie, pero con menor facilidad a las superficies planas y estables. Por lo tanto, las superficies planas tienden a crecer y a volverse más lisas, hasta que toda la superficie del cristal está formada por estas superficies planas. (Véase el diagrama de la derecha).

Una de las técnicas más antiguas en la ciencia de la cristalografía consiste en medir las orientaciones tridimensionales de las caras de un cristal y utilizarlas para inferir la simetría cristalina subyacente .

Las formas cristalográficas de un cristal son conjuntos de caras posibles relacionadas por una de sus simetrías. Por ejemplo, los cristales de galena suelen tener forma de cubo, y las seis caras del cubo pertenecen a una forma cristalográfica que muestra una de las simetrías del sistema cristalino isométrico . La galena también cristaliza a veces como octaedros, y las ocho caras del octaedro pertenecen a otra forma cristalográfica que refleja una simetría diferente del sistema isométrico. Una forma cristalográfica se describe colocando los índices de Miller de una de sus caras entre corchetes. Por ejemplo, la forma octaédrica se escribe como {111}, y las demás caras de la forma están implícitas en la simetría del cristal.

Las formas pueden ser cerradas, lo que significa que pueden encerrar completamente un volumen de espacio, o abiertas, lo que significa que no pueden. Las formas cúbica y octaédrica son ejemplos de formas cerradas. Todas las formas del sistema isométrico son cerradas, mientras que todas las formas de los sistemas cristalinos monoclínico y triclínico son abiertas. Las caras de un cristal pueden pertenecer todas a la misma forma cerrada, o pueden ser una combinación de múltiples formas abiertas o cerradas. ^{[ 11 ]}

El hábito de un cristal es su forma externa visible. Esta está determinada por la estructura cristalina (que restringe las posibles orientaciones de las facetas), la química y los enlaces específicos del cristal (que pueden favorecer algunos tipos de facetas sobre otros) y las condiciones bajo las cuales se formó el cristal.

El mismo grupo de átomos puede solidificarse de muchas maneras diferentes. El polimorfismo es la capacidad de un sólido para existir en más de una forma cristalina. Por ejemplo, el hielo de agua se encuentra normalmente en la forma hexagonal ( Hielo I _h) , pero también puede existir como hielo cúbico ( Hielo I _c) , hielo romboédrico ( Hielo II ) y muchas otras formas. Los diferentes polimorfos se denominan generalmente fases distintas .

Además, los mismos átomos pueden formar fases no cristalinas . Por ejemplo, el agua también puede formar hielo amorfo , mientras que el SiO₂ _puede formar tanto sílice fundida (un vidrio amorfo) como cuarzo (un cristal). Del mismo modo, si una sustancia puede formar cristales, también puede formar policristales.

En el caso de los elementos químicos puros, el polimorfismo se denomina alotropía . Por ejemplo, el diamante y el grafito son dos formas cristalinas del carbono , mientras que el carbono amorfo es una forma no cristalina. Los polimorfos, a pesar de tener los mismos átomos, pueden presentar propiedades muy diferentes. Por ejemplo, el diamante es la sustancia más dura conocida, mientras que el grafito es tan blando que se utiliza como lubricante. El chocolate puede formar seis tipos diferentes de cristales, pero solo uno tiene la dureza y el punto de fusión adecuados para las barras de chocolate y los dulces. El polimorfismo en el acero es responsable de su capacidad para ser tratado térmicamente , lo que le confiere una amplia gama de propiedades.

El polimorfismo es un fenómeno similar en el que los mismos átomos pueden existir en más de una forma sólida amorfa .

La cristalización es el proceso de formación de una estructura cristalina a partir de un fluido o de materiales disueltos en un fluido. (En raras ocasiones, los cristales pueden depositarse directamente a partir de un gas; véase: epitaxia y escarcha ).

La cristalización es un campo complejo y ampliamente estudiado, ya que, según las condiciones, un mismo fluido puede solidificarse en diversas formas. Puede formar un monocristal , con diferentes fases , estequiometrías , impurezas, defectos y hábitos . O bien, puede formar un policristal , con diversas posibilidades en cuanto al tamaño, la disposición, la orientación y la fase de sus granos. La forma final del sólido está determinada por las condiciones de solidificación del fluido, como su composición química, la presión ambiente , la temperatura y la velocidad de cambio de estos parámetros.

Entre las técnicas industriales específicas para producir monocristales grandes (llamados lingotes ) se incluyen el proceso Czochralski y la técnica Bridgman . Dependiendo de las propiedades físicas de la sustancia, pueden utilizarse otros métodos de cristalización menos complejos, como la síntesis hidrotermal , la sublimación o la cristalización con disolventes .

Los grandes cristales individuales pueden crearse mediante procesos geológicos. Por ejemplo, en la Cueva de los Cristales de Naica, México, se encuentran cristales de selenita de más de 10 m . ^{[ 18 ]} Para más detalles sobre la formación geológica de cristales, véase más arriba . 

Los cristales también pueden formarse mediante procesos biológicos (véase más arriba ). Por el contrario, algunos organismos poseen técnicas especiales para evitar la cristalización, como las proteínas anticongelantes .

Un cristal ideal tiene cada átomo en un patrón perfecto y exactamente repetitivo. ^{[ 19 ]} Sin embargo, en realidad, la mayoría de los materiales cristalinos presentan diversos defectos cristalográficos : lugares donde se interrumpe el patrón del cristal. Los tipos y estructuras de estos defectos pueden tener un profundo efecto en las propiedades de los materiales.

Algunos ejemplos de defectos cristalográficos incluyen defectos de vacancia (un espacio vacío donde debería caber un átomo), defectos intersticiales (un átomo adicional encajado donde no cabe) y dislocaciones (véase la figura de la derecha). Las dislocaciones son especialmente importantes en la ciencia de los materiales , ya que ayudan a determinar la resistencia mecánica de los mismos .

Otro tipo común de defecto cristalográfico es la impureza , es decir, la presencia de un átomo "incorrecto" en el cristal. Por ejemplo, un cristal perfecto de diamante solo contendría átomos de carbono , pero un cristal real podría contener también algunos átomos de boro . Estas impurezas de boro le dan al diamante un ligero tono azulado. De igual modo, la única diferencia entre el rubí y el zafiro radica en el tipo de impurezas presentes en un cristal de corindón .

En los semiconductores , un tipo especial de impureza, denominada dopante , modifica drásticamente las propiedades eléctricas del cristal. Los dispositivos semiconductores , como los transistores , son posibles en gran medida gracias a la colocación de diferentes dopantes semiconductores en distintos lugares, siguiendo patrones específicos.

El maclado es un fenómeno intermedio entre un defecto cristalográfico y un límite de grano . Al igual que un límite de grano, un límite de macla presenta diferentes orientaciones cristalinas en sus dos lados. Sin embargo, a diferencia de un límite de grano, las orientaciones no son aleatorias, sino que están relacionadas de forma específica, como imágenes especulares.

La mosaicidad es una dispersión en las orientaciones de los planos cristalinos. Un cristal mosaico consta de unidades cristalinas más pequeñas que están ligeramente desalineadas entre sí.

En general, los sólidos pueden mantenerse unidos por diversos tipos de enlaces químicos , como enlaces metálicos , enlaces iónicos , enlaces covalentes , enlaces de van der Waals y otros. Ninguno de ellos es necesariamente cristalino o no cristalino. Sin embargo, existen algunas tendencias generales, como las siguientes:

Los metales cristalizan rápidamente y casi siempre son policristalinos, aunque existen excepciones como los metales amorfos y los metales monocristalinos. Estos últimos se cultivan sintéticamente; por ejemplo, las turbinas de los aviones de combate se fabrican típicamente cultivando primero un monocristal de aleación de titanio, lo que aumenta su resistencia y punto de fusión en comparación con el titanio policristalino. Un pequeño trozo de metal puede formar naturalmente un monocristal, como el hierro telúrico de tipo 2 , pero los trozos más grandes generalmente no lo hacen a menos que se produzca un enfriamiento extremadamente lento. Por ejemplo, los meteoritos de hierro a menudo están compuestos de monocristales, o de muchos cristales grandes que pueden tener varios metros de tamaño, debido al enfriamiento muy lento en el vacío del espacio. El enfriamiento lento puede permitir la precipitación de una fase separada dentro de la red cristalina, que se forma en ángulos específicos determinados por la red, llamados patrones de Widmanstätten . ^{[ 20 ]}

Los compuestos iónicos se forman típicamente cuando un metal reacciona con un no metal, como el sodio con el cloro. Estas reacciones suelen formar sustancias llamadas sales, como el cloruro de sodio (sal de mesa) o el nitrato de potasio ( salitre ), cuyos cristales suelen ser frágiles y se fracturan con relativa facilidad. Los materiales iónicos suelen ser cristalinos o policristalinos. En la práctica, se pueden crear grandes cristales de sal mediante la solidificación de un fluido fundido o por cristalización a partir de una disolución. Algunos compuestos iónicos pueden ser muy duros, como los óxidos, por ejemplo, el óxido de aluminio, presente en muchas piedras preciosas como el rubí y el zafiro sintético .

Los sólidos con enlaces covalentes (a veces llamados sólidos de red covalente ) se forman típicamente a partir de uno o más no metales, como el carbono o el silicio y el oxígeno, y suelen ser muy duros, rígidos y quebradizos. Estos también son muy comunes; ejemplos notables son el diamante y el cuarzo, respectivamente. ^{[ 21 ]}

Las débiles fuerzas de van der Waals también ayudan a mantener unidos ciertos cristales, como los sólidos moleculares cristalinos , así como el enlace entre capas en el grafito . Sustancias como las grasas , los lípidos y la cera forman enlaces moleculares porque las moléculas grandes no se empaquetan tan estrechamente como los enlaces atómicos. Esto da lugar a cristales mucho más blandos y más fáciles de separar o romper. Ejemplos comunes incluyen chocolates, velas o virus. El hielo de agua y el hielo seco son ejemplos de otros materiales con enlaces moleculares. ^{[ 22 ]} Los materiales poliméricos generalmente formarán regiones cristalinas, pero las longitudes de las moléculas generalmente impiden la cristalización completa, y a veces los polímeros son completamente amorfos.

Un cuasicristal consiste en conjuntos de átomos ordenados, pero no estrictamente periódicos. Comparten muchas características con los cristales ordinarios, como la presencia de un patrón discreto en la difracción de rayos X y la capacidad de formar figuras con caras lisas y planas.

Los cuasicristales son famosos sobre todo por su capacidad de mostrar simetría quíntuple, algo imposible para un cristal periódico ordinario (véase el teorema de restricción cristalográfica ).

La Unión Internacional de Cristalografía ha redefinido el término "cristal" para incluir tanto los cristales periódicos ordinarios como los cuasicristales ("cualquier sólido que tenga un diagrama de difracción esencialmente discreto" ^{[ 23 ]} ).

Los cuasicristales, descubiertos por primera vez en 1982, son bastante raros en la práctica. Solo se conocen alrededor de 100 sólidos que forman cuasicristales, en comparación con los aproximadamente 400 000 cristales periódicos conocidos en 2004. ^{[ 24 ]} El Premio Nobel de Química de 2011 fue otorgado a Dan Shechtman por el descubrimiento de los cuasicristales. ^{[ 25 ]}

Los cristales pueden presentar ciertas propiedades eléctricas, ópticas y mecánicas especiales que el vidrio y los policristales normalmente no poseen. Estas propiedades están relacionadas con la anisotropía del cristal, es decir, la falta de simetría rotacional en su disposición atómica. Una de estas propiedades es el efecto piezoeléctrico , mediante el cual un voltaje aplicado al cristal puede contraerlo o estirarlo. Otra es la birrefringencia , donde aparece una imagen doble al mirar a través de un cristal. Además, diversas propiedades de un cristal, como la conductividad eléctrica , la permitividad eléctrica y el módulo de Young , pueden variar en diferentes direcciones dentro del cristal. Por ejemplo, los cristales de grafito consisten en una pila de láminas, y aunque cada lámina individual es mecánicamente muy resistente, las láminas están relativamente poco unidas entre sí. Por lo tanto, la resistencia mecánica del material es bastante diferente según la dirección de la tensión.

No todos los cristales poseen todas estas propiedades. A la inversa, estas propiedades no son exclusivas de los cristales. Pueden aparecer en vidrios o policristales que se han vuelto anisotrópicos mediante trabajo o tensión —por ejemplo, la birrefringencia inducida por tensión— .

La cristalografía es la ciencia que estudia la estructura cristalina (es decir, la disposición atómica) de un cristal. Una técnica cristalográfica muy utilizada es la difracción de rayos X. Un gran número de estructuras cristalinas conocidas se almacenan en bases de datos cristalográficas .

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  Cristales de insulina cultivados en órbita terrestre . La baja gravedad permite que los cristales crezcan con mínimos defectos.
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  Escarcha : Un tipo de cristal de hielo (imagen tomada desde una distancia de unos 5  cm).
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  Galio , un metal que forma fácilmente cristales grandes.
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  Un cristal de apatita preside el centro de una serie de rombos de rodocroíta de color rojo cereza, cubos de fluorita púrpura, cuarzo y una ligera capa de cubos de pirita de color amarillo latón.
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  Los lingotes de silicio , como este, son un tipo importante de monocristal producido industrialmente .
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  Un ejemplar que consiste en un cristal de calcopirita recubierto de bornita, incrustado en un lecho de cristales de cuarzo transparente y cristales de pirita brillante. El cristal recubierto de bornita mide hasta 1,5  cm de diámetro.
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  Cristales de millerita en forma de aguja, parcialmente incrustados en cristales de calcita y oxidados en sus superficies a zaratita ; procedentes de la Formación Milwaukee del Devónico de Wisconsin.
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  Azúcar cristalizada. Los cristales de la derecha se obtuvieron a partir de un terrón de azúcar, mientras que los de la izquierda se obtuvieron a partir de un único cristal semilla tomado de la derecha. Se añadió tinte rojo a la solución durante el crecimiento del cristal más grande, pero, al ser insoluble en el azúcar sólido, casi todo, salvo pequeñas trazas, precipitó a medida que crecía.

• Howard, J. Michael; Darcy Howard (Ilustrador) (1998). "Introducción a la cristalografía y los sistemas de cristales minerales" . Bob's Rock Shop. Archivado del original el 26 de agosto de 2006. Recuperado el 20 de abril de 2008 .
• Krassmann, Thomas (2005–2008). "El proyecto del cristal gigante" . Krassmann. Archivado del original el 26 de abril de 2008. Recuperado el 20 de abril de 2008 .
• "Folletos didácticos" . Comisión de Enseñanza Cristalográfica. 2007. Archivado del original el 17 de abril de 2008. Consultado el 20 de abril de 2008 .
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• "Cristalografía" . Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) , Departamento de Cristalografía. 2010. Consultado el 8 de enero de 2010 .