sólido amorfo

La congelación desde el estado líquido hasta el sólido amorfo ( transición vítrea ) se considera uno de los problemas más importantes y aún sin resolver de la física .

A temperaturas muy bajas (por debajo de 1-10 K), una amplia familia de sólidos amorfos presenta diversas propiedades similares a bajas temperaturas. Si bien existen varios modelos teóricos, ni la transición vítrea ni las propiedades a bajas temperaturas de los sólidos vítreos se comprenden completamente a nivel de física fundamental .

Los sólidos amorfos constituyen un área importante de la física de la materia condensada que busca comprender estas sustancias a altas temperaturas de transición vítrea y a bajas temperaturas cercanas al cero absoluto . Desde la década de 1970, las propiedades a bajas temperaturas de los sólidos amorfos se estudiaron experimentalmente con gran detalle. ^{[ 6 ] [ 7 ]} Para todas estas sustancias, el calor específico presenta una dependencia (casi) lineal en función de la temperatura, y la conductividad térmica presenta una dependencia de la temperatura casi cuadrática. Estas propiedades se denominan convencionalmente anómalas , ya que difieren considerablemente de las propiedades de los sólidos cristalinos .

A nivel fenomenológico, muchas de estas propiedades fueron descritas por una colección de sistemas de dos niveles con efecto túnel. ^{[ 8 ] [ 9 ]} Sin embargo, la teoría microscópica de estas propiedades aún no se ha desarrollado después de más de 50 años de investigación. ^{[ 10 ]}

Sorprendentemente, una magnitud adimensional de fricción interna es casi universal en estos materiales. ^{[ 11 ]} Esta magnitud es una relación adimensional (salvo una constante numérica) entre la longitud de onda del fonón y el camino libre medio del fonón . Dado que la teoría de los estados de dos niveles de tunelización (TLS) no aborda el origen de la densidad de TLS, esta teoría no puede explicar la universalidad de la fricción interna, que a su vez es proporcional a la densidad de TLS de dispersión. La importancia teórica de este problema relevante y aún sin resolver fue destacada por Anthony Leggett . ^{[ 12 ]}

A diferencia de los materiales cristalinos, que exhiben una fuerte difracción de Bragg , los patrones de difracción de los materiales amorfos se caracterizan por picos amplios y difusos. ^{[ 15 ]} Como resultado, se requieren análisis detallados y técnicas complementarias para extraer información estructural en el espacio real a partir de los patrones de difracción de los materiales amorfos. Es útil obtener datos de difracción tanto de fuentes de rayos X como de neutrones, ya que tienen diferentes propiedades de dispersión y proporcionan datos complementarios. ^{[ 16 ]} El análisis de la función de distribución de pares se puede realizar en los datos de difracción para determinar la probabilidad de encontrar un par de átomos separados por una cierta distancia. ^{[ 15 ]} Otro tipo de análisis que se realiza con datos de difracción de materiales amorfos es el análisis de la función de distribución radial, que mide el número de átomos encontrados a diferentes distancias radiales de un átomo de referencia arbitrario. ^{[ 17 ]} A partir de estas técnicas, se puede dilucidar el orden local de un material amorfo.

La espectroscopia de absorción de rayos X de estructura fina es una sonda a escala atómica que resulta útil para estudiar materiales que carecen de orden de largo alcance. Los espectros obtenidos mediante este método proporcionan información sobre el estado de oxidación , el número de coordinación y las especies que rodean al átomo en cuestión, así como las distancias a las que se encuentran. ^{[ 18 ]}

La técnica de tomografía electrónica atómica se realiza en microscopios electrónicos de transmisión capaces de alcanzar una resolución sub- Angstrom . Se adquiere una colección de imágenes 2D tomadas en numerosos ángulos de inclinación diferentes de la muestra en cuestión y luego se utiliza para reconstruir una imagen 3D. ^{[ 19 ]} Después de la adquisición de la imagen, se debe realizar una cantidad significativa de procesamiento para corregir problemas como la deriva, el ruido y la distorsión de escaneo. ^{[ 19 ]} El análisis y procesamiento de alta calidad mediante tomografía electrónica atómica da como resultado una reconstrucción 3D de un material amorfo que detalla las posiciones atómicas de las diferentes especies que están presentes.

La microscopía electrónica de fluctuación es otra técnica basada en la microscopía electrónica de transmisión que es sensible al orden de medio alcance de los materiales amorfos. Con este método se pueden detectar fluctuaciones estructurales derivadas de diferentes formas de orden de medio alcance. ^{[ 20 ]} Los experimentos de microscopía electrónica de fluctuación se pueden realizar en modo de microscopio electrónico de transmisión convencional o de barrido . ^{[ 20 ]}

Las técnicas de simulación y modelado se combinan frecuentemente con métodos experimentales para caracterizar las estructuras de materiales amorfos. Las técnicas computacionales más utilizadas incluyen la teoría del funcional de la densidad , la dinámica molecular y el método de Monte Carlo inverso . ^{[ 14 ]}

Las fases amorfas son constituyentes importantes de las películas delgadas . Las películas delgadas son capas sólidas de unos pocos nanómetros a decenas de micrómetros de espesor que se depositan sobre un sustrato. Se desarrollaron los llamados modelos de zona de estructura para describir la microestructura de las películas delgadas en función de la temperatura homóloga ( T _h ), que es la relación entre la temperatura de deposición y la temperatura de fusión. ^{[ 21 ] [ 22 ]} Según estos modelos, una condición necesaria para la aparición de fases amorfas es que ( T _h ) debe ser menor que 0,3. La temperatura de deposición debe ser inferior al 30 % de la temperatura de fusión. ^{[ b ]}

En cuanto a sus aplicaciones, las capas metálicas amorfas desempeñaron un papel importante en el descubrimiento de la superconductividad en metales amorfos realizado por Buckel y Hilsch. ^{[ 23 ] [ 24 ]} Actualmente se entiende que la superconductividad de los metales amorfos, incluidas las películas delgadas metálicas amorfas, se debe al apareamiento de Cooper mediado por fonones . El papel del desorden estructural puede racionalizarse basándose en la teoría de Eliashberg de acoplamiento fuerte de la superconductividad. ^{[ 25 ]}

Los sólidos amorfos suelen presentar una mayor localización de los portadores de calor en comparación con los cristalinos, lo que da lugar a una baja conductividad térmica. ^{[ 26 ]} Los productos para protección térmica, como los recubrimientos de barrera térmica y el aislamiento, se basan en materiales con conductividad térmica ultrabaja. ^{[ 26 ]}

Hoy en día, los recubrimientos ópticos hechos de TiO₂ , SiO₂ , Ta₂O₅ _{, etc.} (y combinaciones de estos) consisten en la mayoría de los casos en fases amorfas de estos compuestos. Se lleva a cabo mucha investigación sobre películas amorfas delgadas como capa de membrana separadora de gases _. [ ₂₇ ] La ^{​​película amorfa delgada} tecnológicamente más importante probablemente esté representada por capas de SiO₂ de unos pocos nm de espesor que sirven como aislante sobre el canal conductor de un _transistor de efecto de campo de semiconductor de óxido metálico (MOSFET). Además, el silicio amorfo hidrogenado (Si:H) es de importancia técnica para las células solares de película delgada . ^{[ c ]}

En la industria farmacéutica , se ha demostrado que algunos fármacos amorfos ofrecen una mayor biodisponibilidad que sus contrapartes cristalinas debido a la mayor solubilidad de la fase amorfa. Sin embargo, ciertos compuestos pueden precipitar en su forma amorfa in vivo y, por lo tanto, disminuir la biodisponibilidad mutua si se administran juntos. ^{[ 28 ] [ 29 ]} Los estudios de GDC-0810 ASD muestran una fuerte interrelación entre la microestructura, las propiedades físicas y el rendimiento de disolución. ^{[ 30 ]}

Los materiales amorfos en el suelo influyen notablemente en la densidad aparente , la estabilidad de los agregados , la plasticidad y la capacidad de retención de agua de los suelos. La baja densidad aparente y los altos índices de vacíos se deben principalmente a que los fragmentos de vidrio y otros minerales porosos no se compactan . Los suelos andisoles contienen las mayores cantidades de materiales amorfos. ^{[ 31 ]}