¿Qué hace que los materiales sean duros y fuertes?

Question

Esto es algo que he estado preguntándome desde hace mucho tiempo. ¿Por qué algunos materiales como el acero, el diamante e incluso materiales ligeros como el grafeno son más fuertes que otros? ¿Se debe a la fuerza de los campos electromagnéticos/estáticos que repelen dos átomos enlazantes? ¿O es algo diferente?

Answer 1

Para materiales cristalinos como el diamante, esto es el resultado de enlaces extremadamente estables entre los átomos constituyentes del material. Estos enlaces solo se forman bajo una presión inmensa porque las fuerzas repulsivas interatómicas impiden que los átomos se acerquen lo suficiente como para ser obligados a organizarse en esa estructura cristalina.

Las aleaciones metálicas como el acero son mucho más duras que los metales elementales porque son una mezcla de diferentes elementos como hierro, níquel, cromo, etc. Básicamente, cuando un metal está compuesto uniformemente por el mismo átomo, encajan muy juntos y se deslizan fácilmente entre sí. Por eso el oro puro es tan suave y maleable.

Por otro lado, una aleación de acero está compuesta por algunos elementos diferentes. Los átomos de diferentes tamaños mezclados en la estructura de enlace causan irregularidades en la organización atómica del material, lo que hace más difícil que ocurran resbalones y otras deformaciones.

Answer 2

Si el material es difícil de romper, los enlaces podrían ser fuertes. Si el material es ligero y fuerte, el material podría tener un enlace más fuerte, pero la densidad de masa podría ser menor, puedes esperar grandes vacíos en ellos. La dureza y la fuerza de los materiales dependen de cuán voluminoso sea el material, la estructura cristalina y otros factores.

Science Spectrum, Deccan Herald, martes 13 de mayo de 2014.

  

El grafeno es el material más fuerte, más delgado que se conoce.... No solo es el material más resistente del mundo, sino también uno de los más maleables.

     

Solo un átomo de espesor, ha sido llamado el material maravilla.... Si bien el material fue descubierto hace una década, comenzó a llamar la atención en 2010 cuando dos físicos de la Universidad de Manchester recibieron el premio Nobel por sus experimentos con él.

     

La Sociedad Química Americana dijo en 2012 que se descubrió que el grafeno era 200 veces más fuerte que el acero y tan delgado que una onza de él podría cubrir 28 campos de fútbol. .... En 2012, la Sociedad Química Americana dijo que los avances en el grafeno estaban llevando a la electrónica de pantalla táctil que "podría hacer que los teléfonos celulares fueran tan finos como un trozo de papel y lo suficientemente plegables como para deslizarse en un bolsillo".

El párrafo destaca que un material puede ser fuerte siendo solo de un átomo de espesor (no muy voluminoso).

Answer 3

Si estás observando elementos y compuestos no orgánicos simples (olvidemos los plásticos) tienes dos tipos básicos de enlaces. Iónico, como el cristal de sal. La estructura alterna sodio, cloro, $\text{Na}$, $\text{Cl}$, $\text{Na}$, $\text{Cl}, \dots,+-+-+-$ en todas direcciones. Uno es un poco negativo y el otro es un poco positivo (el cloro es un oxidante fuerte - roba electrones del sodio). Si empujas un cristal de sal lo suficientemente fuerte como para desplazar un plano de átomos en $1/2$ del tamaño de la red atómica - en realidad un poco menos - haces que $++$ y $--$ se alineen y la repulsión del campo eléctrico hará que el cristal se rompa en una línea limpia. Este es el enlace electrostático en el que estabas pensando (buena observación).

El otro enlace popular entre muchos átomos es el enlace covalente. La idea es que los electrones se comparten para llenar orbitales con electrones no emparejados o llenar orbitales completos. A los átomos les gusta esto, y podemos decirlo por lo agradables y estables que son - la mayoría de ellos de todos modos. Los gases nobles (argón, neón, etc.) tienen capas orbitales completas y no necesitan jugar con otros. El enlace recibe otros nombres como "enlaces orbitales moleculares". Este es el enlace que explica por qué el hidrógeno viene en pares $\text{H}_2$ y $\text{O}_2$ y $\text{H}_2\text{O}$ y $\text{CO}_2$, etc. La mayoría de los compuestos que no son cristales tienen enlaces covalentes. Para una descripción intuitiva, este enlace es más como un enlace mecánico cuántico que un enlace electrostático.

Preguntaste específicamente sobre el acero, que no es un compuesto. Las aleaciones son mezclas y bastante complicadas y algunas experimentan cambios fascinantes al variar la temperatura. Como dice @Rick Sanchez, las aleaciones son una mezcla de cosas con diferentes propiedades. El acero es como el hormigón con barras de refuerzo metálicas. Diferentes elementos ocupan diferentes espacios, como la grava y la arena y el cemento en el hormigón. Las propiedades surgen de cómo se traban todas estas partes y cuánto de cada una hay.