Difusión en estado sólido
La difusión sólida describe el movimiento de átomos, iones o electrones dentro de un sólido. Comparada con la difusión gaseosa o líquida, es extremadamente lenta: es la forma más lenta de transporte de masa a nivel atómico. Sin embargo, desempeña un papel decisivo en muchos procesos industriales y tecnológicos.
La difusión de sólidos se utiliza específicamente en pulvimetalurgia o cerámica de ingeniería, por ejemplo. Aquí, los materiales extraños finamente dispersos -metales, óxidos o carburos- se compactan a alta presión y luego se sinterizan. Durante la sinterización, las partículas penetran en las partículas vecinas en los límites del grano o a través de la red cristalina. El resultado son materiales compuestos densos y sólidos con propiedades personalizadas.
Otro ejemplo de utilización técnica es la fabricación de componentes semiconductores. En microelectrónica, los dopantes (por ejemplo, boro, fósforo) se introducen selectivamente en cristales de silicio mediante difusión en estado sólido para generar propiedades eléctricas definidas.
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Sin embargo, la difusión sólida no sólo es un efecto útil, sino que también puede acarrear problemas. Un ejemplo bien conocido es el fenómeno de la fragilización por hidrógeno: el hidrógeno puro puede difundirse en metales como el acero o el titanio durante un largo periodo de tiempo. Esto provoca cambios estructurales en la microestructura del material, que pueden dar lugar a la fragilización o al fallo del material. Este problema es especialmente relevante en tuberías, depósitos de alta presión, válvulas y componentes de la tecnología del hidrógeno.
Otros ejemplos de difusión en estado sólido:
- Protección contra la corrosión y difusión térmica: Para recubrir los aceros se utilizan elementos de difusión como el aluminio, el cromo o el zinc.
- Unión por difusión: Dos superficies metálicas se unen bajo temperatura y presión sin fundirse - la unión se crea únicamente por intercambio atómico.
- Baterías de iones de litio: Durante el proceso de carga y descarga, los iones de litio se difunden a través de la estructura sólida del electrodo.
- Coloración del vidrio o la cerámica: los iones (por ejemplo, cobalto, cobre, hierro) se difunden en la matriz sólida durante el proceso de cocción y crean matices de color.
La difusión de sólidos puede controlarse térmicamente (por temperatura) o químicamente (por gradientes de concentración). Suele ser irreversible y depende en gran medida de la estructura cristalina, las fuerzas de unión y la temperatura.