En la aproximación a la materia que hace la física hay un concepto fundamental en el que se articula la clasificación en esta disciplina. Este concepto es el de simetría, que hace referencia a la correspondencia exacta en forma, tamaño y posición de las partes de un todo[1]. En este caso particular se aplica a nivel microscópico, a escala atómica o molecular refiriéndose a que es habitual que la materia esté compuesta de motivos estructurales que se repiten periódicamente a lo largo de las tres direcciones del espacio. Por eso, en física se suele hablar de simetría de traslación u orden de largo alcance.
Esta característica es exclusiva de algunos sólidos a los que se denomina genéricamente cristalinos, en contraposición a los amorfos, que carecen de esta simetría interna. Hay que recalcar que en física el término sólido cristalino o cristal indica unívocamente que la sustancia presenta orden de largo alcance, lo que difiere del significado de este término en el lenguaje cotidiano. A menudo se habla de un vaso o una copa de cristal o del cristal de una ventana, cuando en realidad estos materiales son algún tipo de vidrio, es decir, un sólido sin simetría de largo alcance, o sea, un sólido amorfo. Por otro lado, gases y líquidos no presentan nunca simetría interna u orden de largo alcance sino que están compuestos de partículas (átomos, moléculas u otras entidades) más alejadas entre sí y con una distribución más o menos aleatoria.
Tradicionalmente se hablaba de física del estado sólido para referirse a la rama de la física que estudia los sólidos, tanto los cristalinos como los amorfos o semicristalinos. Más modernamente se suele hablar de física de la materia condensada, que engloba el estudio de las fases condensadas (es decir, líquidos y sólidos, dejando fuera a los gases). Este último término es el que más se usa en la actualidad, ya que los líquidos y los sólidos amorfos presentan una serie de características comunes que hacen que los métodos y técnicas de estudio guarden mucha similitud.
Si desde ahora nos restringimos a la materia en estado sólido vemos que, según la simetría a nivel atómico que presente cada sustancia, podemos dividir a la materia en tres grandes grupos: cristalina (orden perfecto), amorfa (ausencia total de orden) y blanda; este último, que desarrollaremos un poco más adelante, se refiere a una variedad de sistemas físicos deformables que, a menudo, tienen propiedades intermedias entre las de un sólido cristalino y un sólido amorfo. Las ilustraciones de la figura 1.1 resumen gráficamente las diferentes situaciones que ahora pasamos a comentar.
Los sólidos cristalinos se caracterizan por presentar una estructura interna basada en un empaquetamiento o apilamiento ordenado de átomos, moléculas o iones que consta de un patrón o unidad fundamental (motivo estructural) que se repite periódicamente en las tres dimensiones del espacio, como se ve en la ilustración simplificada de la figura 1.1A. Hay muchos ejemplos de sustancia cristalinas, como la mayoría de las sales inorgánicas (incluyendo la sal común), casi todos los metales o los minerales. Sin embargo, no hay que confundir la estructura cristalina a nivel atómico con la apariencia macroscópica del material. Hay sólidos, como los metales, cuya estructura cristalina no se revela a nivel macroscópico, mientras que otros, como muchos minerales, sí presentan estructuras macroscópicas que de alguna forma están relacionadas con su estado ordenado a nivel microscópico, aunque en general no tiene por qué tener relación obvia el aspecto a nivel macroscópico con la simetría a escala atómica. Hay que tener en cuenta que las distancias interatómicas son como mínimo del orden de 10–10 m o 1 ángstrom (Å) y como máximo de decenas de ángstroms. Los cristales constituyentes o granos de un material cristalino pueden ser ya del orden de micrómetros (µm), por lo que a menudo pueden observarse por medio de microscopía óptica. A veces son de tamaño macroscópico y se ven directamente.
Sorprendentemente, el número de formas de constituir los empaquetamientos ordenados de los cristales respetando la simetría de largo alcance es limitado. Concretamente existen solo 7 sistemas cristalinos (de mayor a menos simetría: cúbico, tetragonal, ortorrómbico, hexagonal, trigonal o romboédrico, monoclínico y triclínico) y 14 redes de Bravais. No obstante, como el motivo estructural puede ser muy distinto –desde un solo átomo metálico hasta varias unidades de proteínas de cientos o incluso miles de átomos– las posibilidades son virtualmente infinitas. Es mucha la información que se puede extraer de un sólido cristalino, ya que la periodicidad facilita enormemente el modelado matemático porque toda la información del sistema está contenida en un solo elemento llamado celda unidad que se repite periódicamente. De hecho, hay toda una disciplina, la cristalografía[3], que se dedica al estudio de la simetría en los sólidos. Para la determinación de las estructuras cristalinas se suele usar la técnica de difracción de rayos X, desarrollada durante la primera mitad del siglo XX y que se emplea para este fin junto con otras técnicas complementarias[4].
Por el contrario, los sólidos amorfos carecen de orden de largo alcance y se caracterizan por su isotropía, es decir, las propiedades son equivalentes a lo largo de cualquier dirección, en contraposición a los sólidos cristalinos en los que las propiedades son fuertemente anisótropas. Aunque parezca sorprendente, los sólidos tienden a ordenarse de forma interna con mucha frecuencia, y los sólidos amorfos son menos comunes que los cristalinos. A menudo se trata de mezclas o de sustancias constituidas por macromoléculas o entidades complejas que son menos propensas a cristalizar, como los polímeros. No obstante, los sólidos amorfos por excelencia son los vidrios, de naturaleza inorgánica y que se caracterizan por ser duros, frágiles y transparentes. Están constituidos por sílice (SiO2), otros óxidos y una serie de cationes que se distribuyen de forma aleatoria del modo que se muestra en la figura 1.1C.
Entre los sólidos cristalinos y los amorfos tenemos una serie de casos intermedios que no podrían definirse como cristales porque carecen de simetría de traslación pero que no son completamente isótropos y desordenados como los sólidos amorfos. En la figura 1.1B vemos un ejemplo de cristal líquido (nemático), un estado de agregación de la materia intermedio entre sólido y líquido que puede estar constituido por partículas con una forma concreta que tienden a orientarse de modo colectivo en una determinada configuración. Por ejemplo, en el caso mencionado tendríamos partículas aciculares que tienden a orientarse todas de forma paralela, por lo que, sin tener un orden bien definido, es obvio que las propiedades en el eje paralelo a los agujas van a ser claramente distintas de las que se puedan encontrar en las direcciones perpendiculares a las mismas.
Los cristales líquidos, junto con otras sustancias de características similares como los líquidos viscosos, los coloides, los polímeros, las espumas, los geles, los medios granulares o diversos biomateriales, constituyen lo que actualmente se conoce como materia blanda[5]. Aunque este término no se acuñó originalmente atendiendo a la simetría interna, sí es cierto que muchos de estos ejemplos no son ni entidades cristalinas ni puramente amorfas y que presentan una serie de características comunes. De hecho, el físico francés Pierre-Gilles de Gennes, un pionero en el estudio de la materia blanda y Premio Nobel de Física en 1991, demostró que los métodos desarrollados para estudiar fenómenos de orden en sistemas simples se pueden generalizar a casos más complejos, en concreto a muchos de los sistemas de materia blanda que acabamos de mencionar.
Por último, cabe destacar que más recientemente podrían incluirse otras categorías de materiales atendiendo a su simetría; las mencionamos en algunos apartados de este libro. Estamos hablando, por ejemplo, de los materiales nanoestructurados, que son materiales de naturaleza cristalina pero que se preparan de tal forma que el tamaño de los granos o de las entidades constituyentes es del orden de algunos nanómetros (10–9 m), es decir, del mismo orden prácticamente que las distancias atómicas. Estos cristales son tan pequeños que en ellos empiezan a cobrar relevancia algunos fenómenos de naturaleza cuántica que no suelen aparecer en los materiales convencionales. Tenemos también los cuasicristales, descubiertos en los años 80 y que, aunque estrictamente no tienen simetría de largo alcance porque no hay un patrón que se repita periódicamente, sí se aprecia cómo los átomos constituyentes no están dispuestos al azar sino que forman estructuras casi ordenadas que pueden reproducirse mediante la aplicación de algún algoritmo matemático.
[1] Es verdad que en este contexto quizás nos estamos restringiendo ya a una definición de materia más cercana a materiales y no tan general.
[2] Figura adaptada de G. S. Rohrer. Structure and Bonding in Crystalline Materials. Cambridge University Press (2004).
[3] Hay muchas monografías de distintos niveles de profundidad y con distintos enfoques. Por ejemplo, M. de Graef y M. E. McHenry. Structure of Materials: An Introduction to Crystallography, Diffraction and Symmetry. Cambridge University Press (2007); C. Hammond. The Basics of Crystallography and Diffraction. 3ª ed. Oxford University Press (2009).
[4] Aparte de las referencias antes mencionadas de cristalografía, una monografía específica sería B. D. Cullity y S. R. Stock. Elements of X-Ray Diffraction. 3ª ed. Pearson Education (2014).
[5] Una breve introducción a la materia blanda es R. A. L. Jones. Soft Condensed Matter. Oxford University Press (2002); otra más extensa y específica dedicada a los cristales líquidos podría ser L. M. Blinov. Structure and Properties of Liquid Crystals. Springer (2011).
Este texto pertenece al libro:
Carlos Romero Muñiz, José M.ª Gavira Vallejo: Noventa materiales de ingeniería para la enseñanza de Física y Química. Triplenlace.com, 2025. https://triplenlace.com/aula-libros/90mi/.
