Materiali cristallini. 

Nella loro struttura sono presenti regioni spaziali in cui gli atomi si  dispongono ordinatamente. Esistono diversi modi in cui gli atomi si possono disporre ordinatamente.  Nonostante l’elevatissimo numero di materiali cristallini i costituenti si distribuiscono secondo sette tipologie.   

La più piccola porzione di materia che contiene tutti gli elementi sufficienti per individuare in modo univoco  la disposizione spaziale degli atomi è la cella elementare. Ogni singolo cristallo è formato da una  ripetizione periodica nello spazio della cella elementare.  

Nell’immagine vediamo: a sinistra la struttura schematica di un cristallo formato da tanti cubi. Ogni cubo è una cella elementare cubica. 

Qualunque cella elementare può essere descritta in modo completo dai parametri di cella. Questi sono:   

• gli SPIGOLI della cella: identificati con le lettere a, b, c.  A temperatura ambiente e in assenza di forze  esterne applicate gli spigoli a, b, c vanno da 0.1 a 0.29 nm.  
• gli ANGOLI formati tra questi spigoli: identificati con lettere greche alfa, beta, gamma. 

Ai VERTICI o ai PUNTI NODALI della cella elementare sono presenti gli atomi (palline rosa nell’immagine). Lo spazio restante è vuoto. Le distanze a, b, c  sono  le distanze inter atomiche = distanze di legame tra due atomi adiacenti (ODG: 1/10 di nanometro). Gli atomi possono essere  tutti uguali (es: solo atomi di carbonio nel diamante) oppure diversi. Il ripetersi periodico nello spazio della  cella elementare forma il RETICOLO CRISTALLINO TRIDIMENSIONALE. 

Le celle elementari sono di 7 tipologie. La natura, nei miliardi di anni di evoluzione, ha cercato di  minimizzare vari parametri energetici, fra l’energia libera dei sistemi. 

Le più semplici sono: 

• Cubica: a = b = c (i 3 spigoli hanno la stessa lunghezza)/alfa=beta=gamma=90°
• Parallelepipeda: a = b ≠ c / alfa = beta = gamma = 90°; 

Si arriva alla cella triclina, la più complessa, in cui tutti gli angoli e tutte le distanze reticolari sono diverse. 

Accanto alle 7 celle elementari di base, ne esistono altre 7 in cui ci sono degli atomi presenti in posizione  non nodale (= non sono solo ai vertici). Questi atomi aggiuntivi possono essere presenti: 

• al centro della cella elementare -> CELLE CORPO CENTRATO (CCC); 

• al centro delle facce delle celle -> CELLE FACCE CENTRATE (CFC);

Nella cella cubica si ha una cella primitiva e due celle composte. Nel caso nella cella tetragonale, la cella primitiva è un parallelepipedo o la composta tetragonale corpo centrato.  

La cella elementare cubica a facce centrate non esiste per motivi energetici (non è stabile energicamente).   Alcune leghe metalliche possono passare da una microstruttura ad un’altra (CCC, CFC), in  base ad opportuni trattamenti termici. 

Nella struttura di una cella  elementare cubica semplice primitiva sono presenti solo gli otto atomi in corrispondenza dei punti nodali. Nella cella elementare cubica a corpo centrato sono presenti otto atomi rossi in posizione nodale e un atomo bianco al centro della cella. Infine, nella cella elementare cubica a facce centrate sono presenti otto atomi nodali e sei atomi bianchi al centro delle facce laterali e delle due basi. Le dimensioni della cella sono molto piccole, dell’ordine dell’Angstrom (1 Angstrom corrisponde a 10^-10  m).

Rapporto fra cristalli e celle cristalline.

Micrografia al microscopio ottico di un materiale metallico policristallino. 

E’ formato da numerosi  cristalli o grani cristallini, con forma tondeggiante. Ciascuno di questi grani cristallini  (immagine di destra) è formato da una moltitudine di celle cubiche.  

Il ripetersi periodico di una stessa cella elementare nello spazio dà origine al reticolo cristallino. In ogni cristallo gli atomi sono orientati secondo opportune direzioni: ogni cristallo ha un suo  orientamento preferenziale, diverso da quello del cristallo adiacente.  

Le zone di frontiera che separano cristalli adiacenti sono detti bordi di grano.  

In ogni cristallo è facile individuare filari di atomi lungo i quali gli atomi si susseguono con regolarità. Lo  stesso atomo può far parte di più filari lungo i quali si ritrova distanziato in modo diverso dagli altri atomi. 

A seconda della configurazione microstrutturale (CFC o CCC) gli atomi si susseguono a distanza diversa.  Ad esempio: lungo gli spigoli del cubo gli atomi si susseguono a una distanza a (pari allo spigolo della cella);  lungo, però, la diagonale del cubo (in caso di CCC) gli atomi si susseguono ad una distanza pari ad a x √3/2.  Lungo la diagonale delle facce, invece, gli atomi si susseguono ad una distanza pari ad a x √2.  La direzione di queste tre lungo la quale gli atomi sono più vicini è lungo la diagonale delle cella:  questa direzione è detta direzione compatta.  

Nei cristalli si possono individuare più direzioni compatte: direzioni lungo le quali sono più vicini. Lungo  queste direzioni sarà più facile che gli atomi scorrano e si muovano durante la deformazione plastica.  Questo succede perché, per saltare da una posizione anatomica ad un’altra, dovranno percorrere un  cammino minore.