La importancia de la cristalografía en nuestra vida diaria

Los difractómetros de rayos X son los principales instrumentos utilizados para estudiar las propiedades cristalográficas de la materia. En este blog, daremos algunos ejemplos de la importancia de la cristalografía en nuestra vida diaria.

Muchas sustancias encontradas en la naturaleza son cristalinas. Los cristales que aparecen en la naturaleza, como resultado de la actividad volcánica, se forman bajo alta presión o se cristalizan a partir del agua.

Aquí, ves hermosos cristales de yeso que crecieron durante miles de años en lo profundo del suelo. Fueron descubiertos hace algunos años, por accidente, durante actividades mineras en Naica, México. Estos cristales son extraordinariamente grandes; miden metros de largo. Nota la pequeña figura humana en la esquina inferior derecha de la imagen.

Sin embargo, en la mayoría de los casos, los cristalitos encontrados en la naturaleza son mucho más pequeños en tamaño. La mayoría de las rocas, suelos y arenas, consisten en pequeñas partículas submilimétricas como las rocas que contienen hierro.

Si preparas una sección transversal de un fragmento de roca para el microscopio óptico, verías los pequeños dominios cristalográficos en las rocas. Las propiedades cristalográficas de tales rocas se pueden investigar con un difractómetro de rayos X (XRD) como el difractómetro de rayos X multipropósito Empyrean. El Empyrean está destinado para el análisis de polvos, películas delgadas, nanomateriales y objetos sólidos.

Un único cristal desvía los rayos X en hermosos patrones de difracción. La ley de Bragg determina el ángulo en el que un solo cristal producirá una señal de difracción. Además, los materiales policristalinos o polvos producen patrones de difracción. De los muchos pequeños cristalitos que contiene el polvo, solo aquellos con la orientación correcta proporcionarán señales de difracción fuertes. Debido a que la señal de difracción proviene de múltiples cristalitos, el patrón de polvo también puede usarse para determinar la constitución de mezclas.

La traza roja que ves aquí es un difractograma. Consiste en muchos picos registrados en función del ángulo de difracción. A partir de la posición angular de los picos, se pueden determinar los diferentes componentes de una mezcla, también llamados fases en la mezcla. A partir de la intensidad relativa de los picos, se puede calcular la abundancia relativa de las fases. Un patrón de polvo es como una huella digital única del material; dicho difractograma también se puede obtener de objetos sólidos como rocas y metales. Estos objetos consisten internamente en muchos pequeños cristalitos y producen sus propios patrones de polvo únicos. Se pueden registrar difractogramas de polvo para muchas de las sustancias que encontramos en el mundo a nuestro alrededor. Estos materiales determinan la calidad de nuestra vida diaria. Echémosle un vistazo a la importancia de entender la cristalografía de polvos y otras mezclas cristalinas.

¿El cemento, un material aburrido?

El cemento es el principal material de construcción para los edificios en los que vivimos, desde los tiempos romanos. ¿Sabías que la trabajabilidad, el tiempo de fraguado y la resistencia final del concreto están determinados por las propiedades cristalográficas del cemento? Para ser más precisos, la calidad de los edificios que creamos está determinada por los cambios de fase cristalográficos durante el endurecimiento del cemento, ¡un proceso que los científicos aún no comprenden completamente hoy en día!

El cemento se fabrica calentando caliza y otras materias primas en un horno rotatorio largo llamado calcinador. En el calcinador, las sustancias experimentan cambios cristalográficos a temperaturas de hasta 1,400 grados Celsius, lo que da lugar a un material llamado clínker, que se muele posteriormente y se mezcla con otros componentes para crear cemento. La fabricación de cemento da como resultado emisiones significativas de dióxido de carbono, CO₂, uno de los gases responsables del calentamiento global. Por cada kilogramo de cemento, se produce casi un kilogramo de CO₂, creando aproximadamente el 5 por ciento de las emisiones de CO₂ de las actividades humanas. Es la segunda fuente de emisión de CO₂ después de la generación de energía.

Del total de emisiones de CO₂ en el proceso de producción de cemento, la mayoría (60%) proviene de la calcinación de la caliza, 30% proviene del combustible necesario para calentar el horno. El 10% final es necesario para la molienda del clínker, transporte del material a través de las plantas, y así sucesivamente. Los intentos de reducir la emisión de CO₂ se centran en dos aspectos:

• Primero, hacer cemento con menos clínker. Para esto se utilizan subproductos industriales como las cenizas volantes de las plantas de energía o las escorias de los altos hornos de producción de hierro. Estos materiales también tienen un efecto cementante.
• En segundo lugar, se pueden utilizar combustibles alternativos para calentar el horno, como desechos plásticos, cadáveres de animales o neumáticos usados, pero estos también influyen en las propiedades del cemento.

La comprensión de las propiedades cristalográficas del cemento es esencial para producir cemento con bajas emisiones de CO₂.

Optimizando el mineral de hierro en la minería

Otro material importante en nuestra vida diaria es el hierro. El punto de partida para todo el hierro es el mineral que se extrae del suelo en las minas. La calidad del mineral en una mina nunca es constante. Se determinó hace millones de años cuando se formaron las rocas. La forma clásica y simple de determinar la calidad del mineral es mediante inspección visual: comparar el color del desconocido con un conjunto de referencia. A partir de tal inspección visual, diferentes partes del cuerpo mineral pueden clasificarse como de baja o alta calidad.

Sin embargo, al determinar la cristalografía, se puede hacer una clasificación mucho más fina del cuerpo mineral. Usando este enfoque, se permite una mejor clasificación de los materiales extraídos en diferentes grados y su mezcla para crear un intermedio mucho más constante en calidad; aumenta la rentabilidad de las actividades mineras al crear menos desechos y reduce el daño al medio ambiente.

Hablemos sobre el estrés

Cuando viajabas en un avión, ¿te has preguntado alguna vez por qué las ventanas del avión son ovaladas y no rectangulares? Los aviones y otras maquinarias están sujetos a cargas cíclicas durante operaciones como el despegue y el aterrizaje. Después de muchas cargas repetidas, pueden formarse grietas en la superficie que pueden propagarse repentinamente a través de todo el ensamblaje causando fallas: la llamada fatiga del metal. La fatiga del metal no se comprendía completamente cuando se construyeron los primeros aviones a reacción comerciales. El de Havilland Comet fue un ejemplo de tal avión a reacción que se construyó en los años 50. Después de una exitosa introducción del avión, dos de estos aviones se estrellaron después de más de un año de operación exitosa, varios accidentes catastróficos en el aire ocurrieron en un corto periodo de tiempo. Todos los aviones fueron inmovilizados, y comenzó la investigación.

Las cargas repetidas sobre el cuerpo del avión se simularon colocando uno de los aviones restantes en un tanque de agua, que se presurizó y despresurizó repetidamente. Después de más de tres mil ciclos, el avión estalló repentinamente. La investigación mostró que se había producido una grieta de fatiga en la esquina de una ventana rectangular. A partir de las tensiones simuladas en el marco de la ventana, se pudo ver que estas tensiones son mucho más altas en las esquinas rectangulares que en las redondeadas. Así que hoy en día las ventanas de los aviones tienen esquinas redondeadas.

Una mejora adicional en los componentes mecánicos de los aviones y otras máquinas se obtuvo mediante la generación deliberada de esfuerzos residuales de compresión en la superficie de los componentes metálicos, causando que las microgrietas permanezcan cerradas y, por lo tanto, reduciendo la probabilidad de fatiga del metal. Hoy en día, las piezas metálicas se someten a un tratamiento de granallado, que agrega esta compresión a la superficie superior, y los problemas de fatiga del metal se superan en gran medida. La comprensión de la deformación cristalográfica y su medición por difracción de rayos X son esenciales para fabricar las máquinas seguras y duraderas que usamos en nuestra vida diaria.

Electrónica

Nuevamente, otra área: los dispositivos microelectrónicos como las computadoras y los teléfonos móviles también se han convertido en una parte esencial de nuestra vida diaria, especialmente para la generación más joven. Los teléfonos móviles se han vuelto tan pequeños y potentes gracias a nuestra comprensión de la cristalografía. Con este entendimiento, hemos creado baterías más pequeñas y potentes, así como componentes eficientes en energía como la luz de fondo de las pantallas en nuestros teléfonos móviles. Las luces de fondo de los teléfonos móviles están hechas de nitruro de galio (GaN), un material semiconductor. Estas luces de fondo consisten en muchas capas delgadas que deben tener las propiedades cristalográficas adecuadas para un buen funcionamiento del dispositivo. Echemos un vistazo al crecimiento controlado de cristales.

Las luces de fondo de GaN, al igual que otros componentes microelectrónicos, consisten en muchas capas de diferentes materiales que se cultivan en sustratos monocristalinos en reactores de deposición química de vapor. Dependiendo de las condiciones de crecimiento en el reactor, tales capas pueden estar relajadas: no hay relación con la estructura cristalina del sustrato o esfuerzos: la capa está deformada y coincide con la estructura cristalográfica del sustrato. Estas capas tensionadas son esenciales para el correcto funcionamiento del dispositivo. La difracción de rayos X se utiliza para sondear la calidad cristalográfica de estas capas. Los LED bien producidos dan como resultado pantallas de teléfonos móviles eficientes en energía y duraderas. Nuevamente, entender la cristalografía es esencial para nuestra vida diaria.

Perfeccionando los productos farmacéuticos

El crecimiento y envejecimiento de la población mundial requiere la disponibilidad de materiales farmacéuticos para todos. Comprender la cristalografía de los productos farmacéuticos es esencial para el desarrollo y la fabricación de medicamentos seguros. La molécula rotativa es la Talidomida, un medicamento desarrollado en los años 50, que se encontró que tenía efectos adversos en niños no nacidos. Una propiedad cristalográfica común en las moléculas orgánicas es el polimorfismo: la capacidad de la molécula para cristalizar en diferentes formas.

Aquí, ves dos formas de indometacina, un potente analgésico. Necesitamos entender estas formas cristalográficas para fabricar productos farmacéuticos seguros. Midiendo la cristalografía, también podemos verificar la autenticidad del medicamento. La falsificación de productos farmacéuticos es un problema generalizado y es una amenaza potencial para la seguridad de nuestra población. La falsificación es menos riesgosa que el tráfico de narcóticos.

Aquí ves difractogramas de alfa y gamma indometacina. Dado que los dos polimorfos tienen diferentes estructuras cristalinas, ambos difractogramas son diferentes. La difracción de rayos X en polvo es la única herramienta para distinguir fácilmente entre diferentes polimorfos de un compuesto.

Cristales en tu comida

La cristalografía también es importante para alimentar a nuestra población en crecimiento. Los fertilizantes son esenciales hoy en día para mejorar el rendimiento de la agricultura. Comprender la cristalografía de suelos y fertilizantes ayuda a optimizar el fertilizante para los cultivos que se van a cultivar.

El acceso al agua potable es un problema creciente en muchas áreas del mundo. El agua en nuestros ríos a menudo está demasiado contaminada o se utiliza para riego, causando escasez de agua para la población aguas abajo. Hacer agua potable a partir del mar, lo que se llama desalinización, es una actividad creciente. Comprender la cristalografía de las membranas y los filtros es importante para construir plantas desalinizadoras con un consumo de energía reducido. Finalmente, las sustancias cristalográficas están presentes en muchos alimentos que consumimos. El chocolate es una substancia cristalográfica sabrosa. Así que, la cristalografía no solo es esencial para nuestra vida diaria, también añade sabor.

En este blog, te he mostrado que la cristalografía es esencial en varios aspectos de nuestra vida diaria. Estás invitado a aprender más sobre la cristalografía en nuestra vida diaria en el sitio web de Malvern Panalytical.

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