Introducción a las formas alotrópicas del Carbono.

A pesar de que el carbono (C) sólo constituye, aproximadamente, un 0.094% de la masa de la corteza terrestre, es un elemento esencial para los seres vivos. Lo podemos encontrar en múltiples formas: libre en forma de diamante y grafito; como componente del gas natural, del petróleo y del carbón; combinado con el oxígeno, para formar dióxido de carbono (presente en la atmósfera); como carbonato en la piedra caliza y en la tiza…

Entre las características más importantes del carbono se encuentra el fenómeno conocido como concatenación, que le permite formar cadenas muy largas, de hasta más de 50 átomos de carbono. La enorme versatilidad de este elemento le convierte en pilar básico de la química orgánica, siendo capaz de formar más de 16 millones de compuestos distintos (cifra que aumenta cada año con nuevos descubrimientos).

El carbono, al igual que muchos otros elementos, tiene distintas formas alotrópicas: diamante, grafito, fullerenos (buckyball) y nanotubos (buckytube).

• Grafito. El grafito tiene una estructura basada en capas, en las cuales los átomos de carbono se disponen unidos fuertemente entre sí, formando distribuciones hexagonales. Las diferentes capas, a su vez, se unen mediante enlaces secundarios débiles (fuerzas de Van der Waals), lo que les permite deslizarse una sobre otra con facilidad.

El grafito es, por tanto, un material anisotrópico: sus propiedades varían en función de la dirección sobre la que nos desplazamos. Entre sus características destacan su baja densidad (2.26 g/cm³) y su buena conductividad térmica y eléctrica (únicamente en el plano basal, pero no en el perpendicular). Sus principales usos son como lubricantes sólidos y para la fabricación de fibras empleadas en materiales compuestos.

• Grafeno. El grafeno es una sustancia con estructura similar al grafito, con la salvedad de que se dispone en una lámina del grosor de un átomo. Podríamos decir que el grafito es una superposición de láminas de grafeno. Si bien hace 20 años el material llamado a revolucionar el mercado industrial eran los nanotubos de carbono, se dice que el siglo XXI será la Era del Grafeno. Sus propiedades más destacadas son su alta conductividad térmica y eléctrica, su alta elasticidad, su dureza, su resistencia (aproximadamente 200 veces más resistente que el acero), su ligereza (5 veces más ligero que el acero), es más flexible que la fibra de carbono convencional (e igual de ligero), apenas hay pérdidas por el efecto Joule (no se calienta en exceso con el paso de electrones), etc… Sus usos son igualmente sorprendetes, destacando su empleo en células solares (son capaces de generar electricidad si son expuestos a luz solar), en pantallas flexibles, como reemplazo del silicio en los procesadores (10 veces más veloces, ligeros y eficientes). Sin embargo también presentan graves inconvenientes que limitan su uso, como su elevado coste de producción y la dificultad de producir grandes muestras con calidad óptima.
• Diamante. Destaca por ser el material más rígido, duro y menos compresible de la naturaleza. Su estructura cúbica está basada en orbitales libres sp³ unidos mediante enlaces covalentes. Tiene propiedades muy distintas al grafito: es isotrópico, es decir, las propiedades varían sin importar la dirección en la que nos desplacemos; tiene mayor densidad (3.51 g/cm³). A pesar de que tiene una conductividad térmica muy alta, no ocurre lo mismo con la electricidad, considerándose un excelente aislante eléctrico. Podemos encontrarlo como diamante natural y diamante sintético (fabricado por el hombre, con propiedades casi idénticas y precio menor).
• Fullerenos. El Fullereno Buckminster posee una estructura similar a un balón de fútbol constituido por 12 pentágonos y 20 hexágonos. En cada punto de unión, un átomo de carbono se une mediante enlaces covalentes a otros tres átomos de carbono. La estructura resultante consta de 60 átomos (C₆₀). También podemos encontrar otros fullerenos, con mayor o menor número de átomos (C₇₀, C₇₆, C₇₈, etc…). Se destinan principalmente al campo de la electrónica, a la fabricación de celdas de combustible, como lubricantes, para la elaboración de superconductores…

  

  Fullereno C60

• Nanotubos. Los nanotubos se forman mediante la laminación de una sola capa atómica de grafito (es decir, un grafeno) en forma de tubo. Al cerrar los extremos del tubo mediante dos hemifullerenos formados sólo de pentagonos, se obtiene la estructura del nanotubo. Los nanotubos se dividen entre nanotubos de una sola pared (SWNT) y nanotubos multiparedes (MWNT); la estructura de los nanotubos multiparedes se basa en la disposición de varios tubos de forma concéntrica. Los nanotubos destacan por su alta resistencia a la tensión (20 veces mayor que los aceros más fuertes -unos 45 GPa-), por su baja densidad, por su alta conductividad térmica, su complejidad eletrónica (puede ser desde semiconductor hasta superconductor), puede verse sometido a deformaciones muy intensas y permanecer en el régimen elástico (su módulo de Young es superior a σ=1.3 TPa), etc… Estas propiedades justifican su uso en la fabricación de fibras para compuestos, en la industria electrónica (supercondensadores, transistores, memorias…), en nanomedicina, en sensores, en biotecnología, en instrumentación científica (puntas de STM), etc…

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Fuentes: 
- Fundamentos de la ciencia e ingeniería de los materiales - William F. Smith - McGraw Hill 
- Química - Raymond Chang - McGraw Hill

Hierro y sus formas alotrópicas. Contracción y expansión volumétrica.

      El hierro es un metal alotrópico, es decir, su estructura cristalina sufre variaciones con la temperatura. En el hierro puro (Fe), estas transformaciones alotrópicas se dan a unas determinadas temperaturas (cabe destacar que en los materiales cristalinos los puntos de fusión están bien definidos, al contrario que en los amorfos).

      Por encima de la temperatura de solidificación del Fe (1539 ºC), éste se encuentra en estado líquido.

      En el intervalo de temperaturas que abarca desde los 1400 ºC a 1539 ºC se encuentra el hierro delta (Fe δ). La estructura cristalina de esta variedad es cúbica centrada en el cuerpo (BCC), con una longitud de arista de 0.293 nanómetros.

      El hierro sigue enfriándose, hasta alcanzar la temperatura de 910 ºC. Durante todo este proceso, el hierro tiene una estructura cristalina cúbica centrada en las caras (FCC), con una longitud de arista igual a 0.3646 nanómetros. A esta variedad de hierro se la denomina hierro gamma (Fe γ).

      Entre los 910 ºC y los 768 ºC se produce una nueva variedad de hierro, el hierro beta (Fe β). Si bien durante este intervalo de temperaturas no se aprecia un cambio de estructura cristalina y no es una forma alotrópica (sigue siendo una estructura BCC –cúbica centrada en el cuerpo- correspondiente al hierro alfa), es importante destacar que a partir de los 768 ºC, punto denominado Temperatura de Curie, el hierro pierde sus propiedades magnéticas (este proceso es reversible volviendo a enfriar a temperaturas por debajo de Curie).

      La última variedad del hierro es el hierro alfa (Fe α), que se da en temperaturas inferiores a los 768 ºC. Esta última forma alotrópica se caracteriza por una estructura cristalina centrada en el cuerpo (BCC) con una longitud de arista de 0.286 nanómetros.

      Estas transformaciones alotrópicas van asociadas a variaciones de volumen, tal y como se muestra en la gráfica. Se podría deducir que un incremento de temperatura produciría un aumento de volumen del hierro. En efecto, debido a una misma ley de dilatación, se produce el aumento de volumen en el caso de Fe α y Fe δ. Sin embargo, observamos como a 900 ºC se produce una repentina contracción volumétrica y a 1400 ºC se produce una expansión volumétrica. Estas discontinuidades pueden explicarse mediante los cambios alotrópicos (de α a γ y de γ a δ), ya que los factores de empaquetamiento atómico de las estructuras cristalinas asociadas a las formas alotrópicas del hierro son distintos. Así, tenemos que:

• El hierro alfa presenta una estructura BCC con un factor de empaquetamiento igual a 0.68. Esto quiere decir que tiene el 68% del volumen total de la celda unitaria ocupada por átomos de hierro.
• El hierro gamma presenta una estructura FCC cuyo factor de empaquetamiento es el de máxima compacidad (0.74). Es decir, el 74% del volumen total está ocupado por átomos de hierro.
• Por último, el hierro delta presenta de nuevo una estructura BCC con un factor de empaquetamiento de 0.68.

      Podemos concluir, pues, que el hierro gamma es más denso que el hierro alfa y el hierro delta (para una misma cantidad de volumen, habrá más masa de Fe).

      Esto explica los cambios volumétricos definidos anteriormente:

• Si tenemos una cantidad de hierro alfa (de masa invariable), al promocionar a hierro gamma, como la densidad de éste es mayor, el volumen ha de ser menor para mantener la proporción.
• Al contrario sucede en el paso de hierro gamma a hierro delta: como la densidad del hierro delta es menor, el hierro gamma tendrá que expandirse volumétricamente para mantener la proporción.

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Fuentes: 
- Ciencia de materiales. Teoría-Ensayos-Tratamientos – P. Coca & J. Rosique – PIRÁMIDE
- Introducción al conocimiento de materiales – S. Barroso & J. Ibáñez - UNED