1. LA MATERIA CRISTALINA Y SUS PROPIEDADES. 1.1. Estructura

1. LA MATERIA CRISTALINA Y SUS PROPIEDADES.
1.1. Estructura cristalina
Los minerales se caracterizan, entre otras cualidades, por poseer una
estructura cristalina. Los materiales cristalinos son aquellos materiales
sólidos, cuyos elementos constitutivos se repiten de manera ordenada en las
tres direcciones del espacio.
Así, la propiedad característica y definidora de la materia cristalina es ser
periódica. Quiere esto decir que, a lo largo de cualquier dirección, los
elementos que la forman se encuentran repetidos a la misma distancia
(traslación). Este principio es válido partiendo desde cualquier punto de la
estructura. Si tomamos las traslaciones mínimas en un cristal (traslaciones
fundamentales) y desarrollamos el paralelepípedo que generan,
obtendremos la celda unidad.
2. SOLIDIFICACIÓN, CRISTALIZACIÓN Y RECRISTALIZACIÓN.
La formación de cristales puede originarse de diferentes maneras, según las características del ambiente donde
tenga lugar:
Solidificación: Materiales en estado fundido que
sufren un descenso en su temperatura
produciéndose un cambio de estado. En muchos
casos, este proceso no implica un proceso de
cristalización, como sucede frecuentemente en
las rocas volcánicas (vidrios volcánicos). En las
rocas plutónicas, por el contrario, sí tiene lugar la
formación de cristales, puesto que, debido al
enfriamiento lento, la solidificación se traduce en
múltiples cristalizaciones por precipitación de
diferentes minerales.
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Cristalización: Se produce la formación de cristales a
partir de la incorporación de las sustancias que
componen un fluido, por saturación de alguno de los
componentes. Existen dos modalidades:
* Precipitación: Cuando el fluido es un líquido. La causas
son variadas: pérdida por evaporación del fluido, aumentos en la concentración (aporte de
iones) y variaciones de
temperatura o presión. Se verifica en todos los ambientes.
* Sublimación: Cuando el fluido es un gas se produce la
cristalización directamente al estado sólido. Es el caso
de las fumarolas volcánicas por la bajada brusca de la
temperatura.
Recristalización: Se forma un nuevo cristal por
reorganización interna de los componentes de un cristal
preexistente. Al variar las condiciones del medio (presión,
temperatura o composición), un cristal puede
desestabilizarse y empezar a variar su estructura o su
composición por difusión en estado sólido. Son muy
frecuentes en el ambiente metamórfico pero se verifican
también en la meteorización y la diagénesis.
3. CRISTALOGÉNESIS: NUCLEACIÓN Y CRECIMIENTO DE LOS CRISTALES.
Independientemente del mecanismo ambiental que ha originado un cristal, su formación o cristalogénesis sigue
una serie de etapas denominadas nucleación y crecimiento.
3.1. Formación de los cristales
La formación de un cristal comienza con la nucleación, formación de un núcleo o partícula inicial con las
propiedades de un cristal, a partir de la cual éste ya puede crecer. Existen dos modalidades de nucleación:
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* Nucleación homogénea: Cuando la partícula es de la misma
composición y estructura del cristal que se
va a formar.
* Nucleación heterogénea: Cuando el núcleo es una
sustancia diferente y preexistente que favorece su
cristalización. Las partículas extrañas quedan incluidas
dentro del nuevo cristal como impurezas o inclusiones.
* La nucleación es un momento delicado y la inestabilidad
del medio puede hacer que su formación no se produzca,
o bien, que sea efímera.
A partir de los núcleos se inicia el crecimiento de los cristales siempre que las condiciones del medio lo permitan
(tiempo, estabilidad, etc).
Alrededor del núcleo, existen
posiciones a partir de las cuales es
más sencilla (aportan mayor
energía al cristal) la adición de
nuevos elementos. La tendencia de
las nuevas partículas es rellenar
huecos, completar filas, terminar
caras y formar nuevas caras. Aún
así existen cristales donde las
condiciones del medio han
permitido el crecimiento de las
aristas.
El crecimiento real de los cristales se separa de este modelo ideal, produciéndose lo que se denominan defectos
cristalinos.
3.2. Defectos cristalinos
La cristalización nunca es perfecta. Como en cualquier proceso natural se producen imperfecciones en el
crecimiento. Estas imperfecciones reciben el nombre de defectos cristalinos. Son las responsables de
variaciones en el color o la forma de los cristales. Los defectos cristalinos se denominan:
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* Vacancias: Se producen por la ausencia en la red de
un elemento. Las vacancias, al igual que otros
defectos,
pueden desplazarse libremente a lo largo de la red.
* Átomos intersticiales: Inclusión en la red de un átomo
fuera de las posiciones reticulares. Con frecuencia este
defecto se presenta unido a una vacancia, pues la
formación de una vacante favorece la aparición de un
átomo intersticial.
* Sustituciones: Entrada en la red de un átomo
diferente,
pero de similar radio iónico que el que la compone.
Pueden dar lugar a la aparición de series isomorfas
(cuando pueden darse todas las sustituciones posibles,
sin alterar la estructura de la red).
* Dislocaciones: Aparición de nuevas filas de elementos
cuando en el plano anterior no existían. Una dislocación
de este tipo son las dislocaciones helicoidales, que
permiten un crecimiento rápido de una cara, pues esta
nunca se acaba.
4. APLICACIONES DE LOS CRISTALES.
Aunque el desarrollo de la cristalografía tuvo lugar como necesidad de descripción del mundo natural, sus
conocimientos vienen siendo aplicados en diversas tecnologías al margen de los usos tradicionales de los cristales
minerales.
Desde tiempos remotos, el dominio experimental en la técnica de cristalización de metales o cerámicas ha sido
motivo de espionaje, intrigas, e incluso guerras. La cristalografía ha añadido comprensión a una serie de técnicas
en que en principio eran solo intuitivas y casuales: tanto la estructura cristalina como el modo de cristalización
(rápida, lenta, muchos núcleos, pequeños cristales, pocos núcleos, muchos cristales) afectan decisivamente en las
cualidades finales de una sustancia. Hoy día podemos encontrar muchos ejemplos de sus actuales aplicaciones:
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Biología molecular y bioquímica: Los trabajos en síntesis de
moléculas orgánicas, y la relación entre la estructura
tridimensional de la sustancia y su función,
han adentrado al mundo de la cristalografía en la biología
molecular, con las debidas particularidades.
En las sustancias inorgánicas todos los elementos se
encuentran fuertemente enlazados. Sin embargo, en los
materiales orgánicos se distinguen claramente unidades
aisladas (moléculas), formadas por átomos unidos entre
sí, cuya unión, es mucho más débil (cristales moleculares).
Son generalmente materiales más blandos e inestables que
los inorgánicos.
En las proteínas también existen unidades moleculares
como en los demás materiales orgánicos, pero mucho más
grandes. Las fuerzas que unen estas moléculas son
similares, pero su ordenamiento en los cristales deja
muchos huecos que pueden rellenarse de agua y de ahí su
extrema inestabilidad.
Paneles fotovoltaicos: Un panel fotovoltaico consta
de un cristal de sílice que, al ser estimulado por un fotón,
es capaz de desprender electrones (efecto fotoeléctrico)
que son recogidos por un material conductor.
La fabricación de paneles fotovoltaicos tiene la necesidad
de obtención de cristales planos, a un bajo coste.
Cristales líquidos: Los cristales líquidos constan de un fluido
compuesto por moléculas alargadas que tienen la propiedad
de ordenarse como un cristal ante la polarización eléctrica
del medio. Al ordenarse cambian sus propiedades ópticas
(color, opacidad, etc). Se han utilizado intensamente en las
pantallas de pequeños aparatos electrónicos (calculadoras,
relojes) y actualmente se están introduciendo en el
mercado de los monitores (pantalla plana).
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Cristales artificiales. La necesidad de cristales abrasivos en
la industria y el alto coste de los naturales (por ejemplo, los
diamantes industriales) han posibilitado la aparición de
artificiales. Estos cristales no alcanzan los resultados de
los naturales, pero su menor coste rentabiliza su obtención
y uso.
Estas técnicas también se han adentrado en el mundo de
la joyería, obteniéndose gran variedad de piedras preciosas
artificiales con colores escasos en las naturales.
Informática: Un chip consta de distintas capas de materiales
crecidos durante el proceso de fabricación:
metal, óxido y semiconductor cristalino (sílice) que, al
recibir un impulso eléctrico, puede transmitirlo o no a
un material conductor. Las técnicas de cristalización
han permitido reducirlos a tamaños tan insospechados
que la limitación consiste en conseguir reducir al mismo
tamaño sus conexiones.
5. LOS AMBIENTES PETROGENÉTICOS.
Los minerales son sustancias naturales, de composición química definida dentro de unos límites y que presentan
estado cristalino. Las rocas son agregados naturales de uno o más minerales. Los ambientes petrogénéticos
(ambientes que dan lugar a la formación de rocas) se clasifican en tres grandes grupos:
Ambiente Magmático: determinado por la existencia de
material fundido (magma) en el interior de la tierra. La
aparición de minerales y de las rocas que forman, viene
dada por un proceso de solidificación del magma al llegar a
zonas de menor temperatura, originando las rocas
magmáticas.
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Ambiente Metamórfico: determinado por el cambio de
condiciones (presión temperatura o composición) en el que
tuvo lugar la génesis de una roca preexsitente. Este cambio
de condiciones favorece la recristalización de minerales, o la
neoformación (cristalización de otros nuevos), en un
proceso denominado metamorfismo. Así, a partir de una
roca original obtenemos una roca metamórfica. En casos
extremos se puede producir la fusión o anatexia de las rocas
originándose un magma.
Ambiente Sedimentario: La actuación de los agentes
geológicos externos tiene como consecuencia la aparición
de gran cantidad de sedimentos, ya sea por deposición
(rocas detríticas por ejemplo) o por precipitación de sales
disueltas en el agua. También intervienen los seres vivos,
bien como organismos capaces de precipitar sales en sus
estructuras y que pueden acumularse tras su muerte
(arrecifes de coral, sílex, fosfatos, etc.), o bien por
acumulación de sus restos orgánicos. Los sedimentos, con el
enterramiento, sufren un proceso de diagénesis que
culmina con la formación de las rocas sedimentarias.
Las rocas están continuamente transformándose de unos tipos en otros. Estas transformaciones quedan
recogidas en el ciclo de las rocas.
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