defecto intersticial

En ciencia de materiales , un defecto intersticial es un tipo de defecto cristalográfico puntual donde un átomo , del mismo tipo o de uno diferente, ocupa un sitio intersticial en la estructura cristalina . Cuando el átomo es del mismo tipo que los ya presentes, se denomina defecto autointersticial . Alternativamente, átomos pequeños en algunos cristales pueden ocupar sitios intersticiales, como el hidrógeno en el paladio . Los intersticiales pueden producirse bombardeando un cristal con partículas elementales cuya energía supere el umbral de desplazamiento para ese cristal, pero también pueden existir en bajas 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 les denomina fases de Hagg en honor a Gunnar Hägg . ^{[ 1 ]} Los metales de transición generalmente cristalizan en estructuras hexagonales compactas o cúbicas centradas en las caras , ambas formadas por capas de átomos hexagonalmente compactos. En ambas redes, muy similares, existen dos tipos de intersticios o huecos:

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

Los primeros investigadores sugirieron que:

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

No se consideraban compuestos, sino más bien soluciones, por ejemplo, de carbono, en la red metálica, con una "concentración" superior límite 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 metales y no metales muestra que:

• Generalmente, a bajas concentraciones del átomo pequeño, la fase puede describirse como una solución, lo que se aproxima a la descripción histórica de un compuesto intersticial mencionada anteriormente.
• A concentraciones más elevadas del átomo pequeño, pueden presentarse fases con diferentes estructuras reticulares, y estas pueden tener una variedad 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 γ, 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 idénticos a los ya presentes en la red cristalina.

La estructura de los defectos intersticiales se ha determinado experimentalmente 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 de la red. ^{[ 2 ] [ 3 ]} Típicamente, el centro de masa de los dos átomos está en el sitio de la red, y están desplazados simétricamente de él a lo largo de una de las direcciones principales de la red . 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 están desplazados en una dirección [100] positiva y negativa del sitio de la red. En el hierro cúbico centrado en el cuerpo (bcc), la estructura intersticial del estado fundamental es de manera similar un intersticial dividido [110].

Estos átomos intersticiales divididos suelen denominarse intersticiales en forma de mancuerna, porque al representar 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 para levantar pesas .

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

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

El carbono, especialmente en el grafito y el diamante, posee una serie de autointersticiales interesantes. Recientemente, se descubrió mediante cálculos de aproximación de densidad local el "espirointersticial" en el grafito, llamado así por el espiropentano , ya que el átomo de carbono intersticial se sitúa entre dos planos basales y se enlaza en una geometría similar a la del espiropentano. ^{[ 6 ]}

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

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

• Los átomos de carbono intersticiales desempeñan un papel crucial en las propiedades y el procesamiento de los aceros, en particular de los aceros al carbono .
• Los intersticiales de impurezas pueden utilizarse, por ejemplo, para el almacenamiento de hidrógeno en metales.
• La red cristalina puede expandirse con la concentración de impurezas intersticiales.
• La amorfización de semiconductores como el silicio durante la irradiación iónica se explica a menudo por la acumulación de una alta concentración de intersticiales que conduce finalmente al colapso de la red cristalina al volverse inestable. ^{[ 7 ] [ 8 ]}
• La creación de grandes cantidades de intersticiales en un sólido puede provocar una acumulación significativa de energía, que al liberarse puede incluso causar accidentes graves en ciertos tipos de reactores nucleares antiguos ( 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 ]}