Material no metálico

El término "material no metálico" se refiere a aquellos materiales que no son metales . Según el contexto, su uso varía ligeramente. En la vida cotidiana, es un término genérico para materiales como plásticos, madera o cerámica, que no son metales típicos, como las aleaciones de hierro utilizadas en puentes. En algunos ámbitos de la química, especialmente en la tabla periódica , se utiliza para referirse únicamente a los elementos químicos que no son metálicos en condiciones estándar de temperatura y presión . También se emplea a veces para describir amplias clases de átomos dopantes en los materiales. En el ámbito científico, se refiere a materiales que no poseen electrones fácilmente movibles; más técnicamente, no existen estados disponibles en la energía de Fermi , la energía de equilibrio de los electrones. Por razones históricas, la definición de metales en astronomía es muy diferente , considerando únicamente el hidrógeno y el helio como no metales. El término también puede utilizarse como negación de los materiales de interés, como en metalurgia o metalurgia .

Las variaciones ambientales, especialmente la temperatura y la presión, pueden transformar un no metal en un metal, y viceversa; esto siempre conlleva un cambio importante en su estructura, una transición de fase . Otros estímulos externos, como los campos eléctricos, también pueden generar un no metal localizado, por ejemplo, en ciertos dispositivos semiconductores . Asimismo, existen numerosos fenómenos físicos que solo se encuentran en los no metales, como la piezoelectricidad o la flexoelectricidad .

El enfoque original de la conducción y los no metales era una estructura de bandas con electrones deslocalizados (es decir, dispersos en el espacio). En este enfoque, un no metal tiene una brecha en los niveles de energía de los electrones en el nivel de Fermi . [ 1 ] : Cap. 8 y 19 En contraste, un metal tendría al menos una banda parcialmente ocupada en el nivel de Fermi; [ 1 ] en un semiconductor o aislante no hay estados deslocalizados en el nivel de Fermi, véase por ejemplo Ashcroft y Mermin . ^{[ 1 ] Estas definiciones} son ^{equivalentes a afirmar} que los ^{metales conducen electricidad} en el cero absoluto , como sugirió Nevill Francis Mott , ^{[ 2 ] : 257} y la definición equivalente a otras temperaturas también se usa comúnmente como en libros de texto como Química de los no metales de Ralf Steudel ^{[ 3 ]} y trabajos sobre transiciones metal-aislante . ^{[ 4 ] [ 5 ]}

En trabajos iniciales ^{[ 6 ] [ 7 ]} esta interpretación de la estructura de bandas se basaba en un enfoque de un solo electrón con el nivel de Fermi en la brecha de banda como se ilustra en la Figura, sin incluir una imagen completa del problema de muchos cuerpos donde tanto los términos de intercambio como de correlación pueden ser importantes, así como efectos relativistas como el acoplamiento espín-órbita . Una adición clave de Mott y Rudolf Peierls fue que estos no podían ignorarse. ^{[ 8 ]} Por ejemplo, el óxido de níquel sería un metal si se utilizara un enfoque de un solo electrón, pero de hecho tiene una brecha de banda bastante grande. ^{[ 9 ]} A partir de 2024 es más común utilizar un enfoque basado en la teoría del funcional de la densidad donde se incluyen los términos de muchos cuerpos. ^{[ 10 ] [ 11 ]} En lugar de electrones individuales, el llenado involucra cuasipartículas llamadas orbitales, que son las soluciones de tipo partícula única para un sistema con cientos a miles de electrones. Aunque los cálculos precisos siguen siendo un desafío, ahora se dispone de resultados razonables en muchos casos. ^{[ 12 ] [ 13 ]}

También es común matizar un poco las primeras definiciones de Alan Herries Wilson y Mott. Como lo discuten tanto el químico Peter Edwards y sus colegas, ^{[ 15 ]} como Fumiko Yonezawa , ^{[ 2 ] : 257–261} también es importante en la práctica considerar las temperaturas a las que se utilizan tanto metales como no metales. Yonezawa proporciona una definición general: ^{[ 2 ] : 260}

Cuando un material 'conduceSi, al mismo tiempo, el coeficiente de temperatura de la conductividad eléctrica de dicho material no es positivo bajo ciertas condiciones ambientales, entonces el material es metálico bajo esas condiciones. Un material que no cumple con estos requisitos no es metálico bajo esas condiciones ambientales.

Las definiciones de metalicidad basadas en la estructura de bandas son las más utilizadas y se aplican tanto a elementos individuales como el boro aislante ^{[ 16 ]} como a compuestos como el titanato de estroncio ^{[ 17 ]} . (Existen muchos compuestos que presentan estados en el nivel de Fermi y son metálicos, por ejemplo, el nitruro de titanio ^{[ 18 ]} ) . Existen numerosos métodos experimentales para detectar no metales mediante la medición de la brecha de banda o mediante cálculos mecánicos cuánticos ab initio ^{[ 19 ] .}

Una alternativa en metalurgia es considerar varias aleaciones maleables como el acero , las aleaciones de aluminio y similares como metales, y otros materiales como no metales; ^{[ 20 ]} la fabricación de metales se denomina metalurgia , ^{[ 21 ]} pero no existe un término correspondiente para los no metales. Una definición laxa como esta es a menudo de uso común, pero también puede ser inexacta. Por ejemplo, en este uso los plásticos son no metales, pero de hecho existen polímeros conductores (eléctricamente) ^{[ 22 ] [ 23 ]} que deberían describirse formalmente como metales. De manera similar, pero un poco más compleja, muchos materiales que son semiconductores (no metálicos) se comportan como metales cuando contienen una alta concentración de dopantes , siendo llamados semiconductores degenerados . ^{[ 24 ]} Una introducción general a gran parte de esto se puede encontrar en el libro de 2017 de Fumiko Yonezawa ^{[ 2 ] : Cap. 1}

El término no metal (química) también se usa para aquellos elementos que no son metálicos en su estado fundamental normal; los compuestos a veces se excluyen de la consideración. Algunos libros de texto usan el término elementos no metálicos como la Química de los no metales de Ralf Steudel , ^{[ 25 ] : 4} que también usa la definición general en términos de conducción y el nivel de Fermi. ^{[ 25 ] : 154} El enfoque basado en los elementos se usa a menudo en la enseñanza para ayudar a los estudiantes a comprender la tabla periódica de los elementos, ^{[ 26 ]} aunque es una simplificación excesiva de la enseñanza . ^{[ 27 ] [ 28 ]} Aquellos elementos hacia la parte superior derecha de la tabla periódica son no metales, aquellos hacia el centro ( metal de transición y lantánido ) y la izquierda son metálicos. Se usa una designación intermedia metaloide para algunos elementos.

El término también se usa a veces para describir dopantes de tipos específicos de elementos en compuestos, aleaciones o combinaciones de materiales, utilizando la clasificación de la tabla periódica. Por ejemplo, los metaloides se usan a menudo en aleaciones de alta temperatura, ^{[ 29 ]} y los no metales en el endurecimiento por precipitación en aceros y otras aleaciones. ^{[ 30 ]} Aquí, la descripción incluye implícitamente información sobre si los dopantes tienden a ser aceptores de electrones que dan lugar a compuestos con enlaces covalentes en lugar de enlaces metálicos o aceptores de electrones.

En astronomía se utiliza un enfoque bastante diferente, donde el término metalicidad se emplea para todos los elementos más pesados ​​que el helio, por lo que los únicos no metales son el hidrógeno y el helio. Esta es una anomalía histórica. En 1802, William Hyde Wollaston ^{[ 31 ]} observó la aparición de varias características oscuras en el espectro solar. ^{[ 32 ]} En 1814, Joseph von Fraunhofer redescubrió independientemente las líneas y comenzó a estudiar y medir sistemáticamente sus longitudes de onda , y ahora se las conoce como líneas de Fraunhofer . Cartografió más de 570 líneas, designando las más prominentes con las letras de la A a la K y las más débiles con otras letras. ^{[ 33 ] [ 34 ] [ 35 ]}

Aproximadamente 45 años después, Gustav Kirchhoff y Robert Bunsen ^{[ 36 ]} observaron que varias líneas de Fraunhofer coinciden con líneas de emisión características identificadas en los espectros de elementos químicos calentados. ^{[ 37 ]} Infirieron que las líneas oscuras en el espectro solar son causadas por la absorción de elementos químicos en la atmósfera solar. ^{[ 38 ]} Sus observaciones ^{[ 39 ]} fueron en el rango visible donde las líneas más fuertes provienen de metales como Na, K, Fe. ^{[ 40 ]} En el trabajo inicial sobre la composición química del sol, los únicos elementos que se detectaron en los espectros fueron hidrógeno y varios metales, ^{[ 41 ] : 23–24} con el término metálico usado frecuentemente para describirlos. ^{[ 41 ] : Parte 2} En el uso contemporáneo, todos los elementos adicionales más allá del hidrógeno y el helio se denominan metálicos.

El astrofísico Carlos Jaschek y la astrónoma y espectroscopista estelar Mercedes Jaschek, en su libro La clasificación de las estrellas , observaron que: ^{[ 42 ]}

Los especialistas en el interior estelar utilizan el término «metales» para referirse a cualquier elemento distinto del hidrógeno y el helio, por lo que la expresión «abundancia de metales» implica todos los elementos excepto los dos primeros. Para los espectroscopistas, esto resulta muy confuso, ya que emplean el término en su sentido químico. Por otro lado, los fotometristas , que observan los efectos combinados de todas las líneas (es decir, sin distinguir los diferentes elementos), suelen utilizar la expresión «abundancia de metales», en cuyo caso también puede incluir el efecto de las líneas de hidrógeno.

Existen muchos casos en los que un elemento o compuesto es metálico bajo ciertas circunstancias, pero no metálico en otras. Un ejemplo es el hidrógeno metálico , que se forma bajo presiones muy altas. ^{[ 44 ]} Hay muchos otros casos, como los analizados por Mott, ^{[ 4 ]} Inada et al. ^{[ 5 ]} y, más recientemente, por Yonezawa. ^{[ 2 ]}

También pueden producirse transiciones locales a un no metal, particularmente en dispositivos semiconductores . Un ejemplo es un transistor de efecto de campo, donde un campo eléctrico puede generar una región donde no hay electrones en la energía de Fermi ( zona de agotamiento ). ^{[ 45 ] [ 46 ]}

Los no metales tienen una amplia gama de propiedades; por ejemplo, el diamante , un no metal , es el material más duro conocido, mientras que el disulfuro de molibdeno, también un no metal , es un lubricante sólido utilizado en el espacio. ^{[ 47 ]} Existen algunas propiedades específicas de los no metales que no poseen electrones en la energía de Fermi. Las principales, para las cuales se puede encontrar más información en los enlaces, son: ^{[ 1 ] : Cap. 27-29 [ 48 ]}

• Polarización dieléctrica , ^{[ 49 ]} aproximadamente equivalente a la alineación de dipolos locales con un campo eléctrico, como en los capacitores .
• Electroestricción , ^{[ 50 ]} un cambio en el volumen debido a un campo eléctrico, o más precisamente densidad de polarización .
• Flexoelectricidad , donde existe un acoplamiento entre gradientes de deformación y polarización. ^{[ 51 ]} Esto juega un papel en la generación de electricidad estática debido al efecto triboeléctrico . ^{[ 52 ]}
• Piezoelectricidad , un acoplamiento entre polarización y deformaciones lineales. ^{[ 50 ]}
• Una resistencia disminuida con la temperatura, debido a que hay más portadores (a través de la estadística de Fermi-Dirac ) disponibles en bandas de energía más altas parcialmente ocupadas ^{[ 1 ] [ 53 ]}
• Aumento de la conductividad al ser iluminado con luz o radiación ultravioleta , lo que se denomina fotoconductividad . Esto es similar al efecto de la temperatura, pero con los fotones excitando los electrones a estados parcialmente ocupados. ^{[ 54 ]}
• Transmiten campos eléctricos como en la figura del condensador anterior; en un metal existe un apantallamiento del campo eléctrico que impide esto más allá de distancias muy pequeñas, véase Electrodinámica clásica . ^{[ 55 ]}

• Abundancia de los elementos químicos
• Aislantes de transferencia de carga : No metales debido a la transferencia de carga entre átomos. 
• Mecanismos de transporte de carga : modelos para el flujo de corriente eléctrica. 
• Rigidez dieléctrica – Grado de aislamiento 
• Conductividad eléctrica : medida de la capacidad de una sustancia para resistir o conducir corriente eléctrica. Páginas que muestran breves descripciones de los objetivos de redirección. 
• Aislante de Kondo : sistema fuertemente correlacionado con una banda prohibida estrecha a bajas temperaturas. 
• Lista de referencias de datos para elementos químicos
• Lista de procesos de fabricación – Procesos de fabricación 
• Lista de propiedades de los materiales
• Lista de estados de la materia
• Función de distribución de metalicidad : distribución dentro de un grupo de estrellas de la relación hierro/hidrógeno en una estrella. 
• Aislante de Mott : materiales que clásicamente se consideran conductores, pero que en realidad son aislantes. 
• Transición superconductor-aislante : tipo de transición de fase cuántica. Páginas que muestran descripciones breves de destinos de redireccionamiento. 
• Aislante topológico : estado de la materia con volumen aislante pero límite conductor.