Un trabajo práctico integrado para la enseñanza de la química del estado sólido en la carrera de ingeniería en materiales

J.M.PORTO LÓPEZ

Huerta Grande, Córdoba

Taller; V Taller Iberoamericano sobre Educación en Ciencia e Ingeniería en Materiales (TIECIM V); 2006

Universidad Nacional del Sur

UN TRABAJO PRÁCTICO INTEGRADO PARA LA ENSEÑANZA DE LA QUÍMICA DEL ESTADO SÓLIDO EN LA CARRERA DE INGENIERÍA EN MATERIALES La enseñanza de la Química del Estado Sólido (en el sexto cuatrimestre de la carrera de Ingeniería en Materiales que se desarrolla en la Universidad Nacional de Mar del Plata) tiene por objetivos: en primer lugar, profundizar los conocimientos adquiridos en las asignaturas anteriores de la disciplina (Química General I en el primer cuatrimestre, Química de los Materiales en el tercero y Química Física en el cuarto), y fundamentalmente introducir los nuevos conceptos relevantes a los sistemas sólidos y exponer las diferencias de comportamiento de especies químicas nominalmente iguales, cuando se encuentran formando parte de estructuras sólidas diferentes. En este sentido, se enfatizan los siguientes aspectos:: · energía libre: su contenido en función de la estructura y de la microestructura (superficies, interfaces, bordes de grano), acumulación de excesos de energía en fases metaestables, o a través de la presencia de defectos estructurales; · correlaciones entre estructura, propiedades y comportamiento, y su relación con las condiciones de procesamiento en la fabricación de materiales; · procesos que se desarrollan en fases condensadas: producción de defectos estructurales, difusión, sinterizado, transformaciones de fase, reacciones heterogéneas, solidificación; · incorporación de herramientas para la aplicación de los conceptos antedichos: uso de diagramas de equilibrio, adquisición de conocimientos y (en los casos en que es posible) de experiencia en las técnicas experimentales más comunes de caracterización, estudio y procesamiento de materiales (difracción de rayos X, análisis térmico, espectroscopías de radiación electromagnética y electrónicas, microscopía electrónica, métodos de caracterización textural). En este entorno, la realización de trabajos prácticos que contribuyan a afirmar los conceptos ofrecidos en las clases teóricas y de seminarios, debe requerir del alumno la habilidad de aplicar a casos concretos dichos conceptos, y de correlacionar las porciones de información obtenidas de distintas fuentes en un conjunto coherente que explique los comportamientos observados y permita extrapolarlos a otros sistemas. ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ Para ello, se diseñó un trabajo práctico que se desarrolla a lo largo de aproximadamente dos meses (la segunda mitad del cuatrimestre), en grupos de tres o cuatro alumnos, con una frecuencia de una a dos clases de laboratorio semanales. Se utiliza principalmente el equipamiento existente en los grupos de investigación, complementado con el aportado por la facultad. El trabajo práctico incluye: 1) la preparación de un vidrio del sistema SiO2-Li2O-Al2O3 (cálculo de las composiciones a usar y estimación de las condiciones experimentales a partir de los diagramas de equilibrio correspondientes, elección de las materias primas, fusión y colado). Para ello, cada grupo de alumnos (de acuerdo al número de alumnos de la asignatura, típicamente tres a cinco grupos) trabaja sobre una composición basada en 67%SiO2-33%Li2O (en moles) con reemplazos parciales del Li2O por diferentes cantidades de Al2O3, dentro de un rango de concentraciones de Al2O3 lo suficientemente bajo como para que los vidrios sean poco viscosos y fácilmente trabajables. Eventualmente, en función del número de grupos, puede agregarse al espectro de composiciones una en la que se reemplace el Li2O por Na2O, de modo de comparar la eficiencia del litio y del sodio como modificadores de red. 2) la caracterización fisicoquímica de los vidrios obtenidos (DRX, ATD-TG, dilatometría, eventualmente SEM y determinación de la densidad) 3) la predicción de las fases cristalinas esperadas y la cristalización del vidrio por tratamiento térmico, para obtener vitrocerámicos de aluminosilicatos de litio (LAS). Los mismos son de interés ingenieril por su coeficiente de dilatación térmica extremadamente bajo, lo que los hace especialmente aptos para el diseño de materiales resistentes al choque térmico. 4) la caracterización fisicoquímica de los cristales obtenidos, utilizando las mismas técnicas que en el caso del vidrio; 5) el cruce entre los resultados obtenidos por cada grupo, para determinar tendencias, explicar los comportamientos observados, y construir un "escenario" del comportamiento global del sistema en función de su composición y de las condiciones de tratamiento. 6) el ordenamiento de los resultados, su análisis y la redacción de un informe formal por parte de cada grupo. Los informes son expuestos y discutidos en un seminario al efecto. Además, y de acuerdo a las disponibilidades de tiempo, la parte experimental del trabajo es ampliable con aspectos relacionados: por ejemplo, agregado a los vidrios de agentes nucleantes como TiO2 o ZrO2, para obtener vitrocerámicos transparentes con cristales de tamaño submicrónico; o bien medidas de la cinética de cristalización y estimación de los parámetros relevantes (energía de activación, determinación del mecanismo controlante del proceso de cristalización). ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Conclusiones Este tipo de trabajos, basado en el uso de los conceptos fundamentales aportados por la asignatura, permite al alumno: · aplicar conceptos incorporados en la teoría y en los seminarios. En este caso particular: - energía libre vs. estructura (vidrio vs. cristal) - fisicoquímica del estado vítreo: viscosidad vs. composición (relación con los criterios de Stevels; rol del Al3+ como formador de vidrio o como modificador de red) - mecanismo de nucleación y crecimiento en la cristalización (cristalización de vidrio en polvo o en trozos, dependencia de la cinética con la viscosidad del vidrio) - adquisición de experiencia en técnicas instrumentales de caracterización de materiales - uso de diagramas de equilibrio - organización, redacción y presentación de informes técnico-científicos · trabajar en equipo y entre equipos · analizar resultados (propios y de otros) Esta forma de organización de las tareas (trabajo en equipo, uso de diferentes técnicas experimentales que aportan distintas partes de la información total, análisis de resultados propios y ajenos, organización y redacción del informe) es extrapolable a otros tipos de materiales, técnicas y propiedades, y aplicable en otras asignaturas, de acuerdo a la orientación de las mismas y a la disponibilidad de equipamiento, personal docente y tiempo de cátedra.