Estados de agregación de la materia
Los chips se fabrican en cámaras de vacío, y la razón no es la limpieza: es que a 10⁻⁶ torr un átomo evaporado recorre cincuenta metros sin chocar con nada.
01Los gases, y por qué son los fáciles
En un gas las moléculas están tan separadas que casi no se ven entre sí. Esa indiferencia mutua es lo que permite describirlo con una sola ecuación, la misma para todos los gases:
La ecuación falla cuando el gas se comprime o se enfría lo suficiente como para que las moléculas empiecen a notarse. Van der Waals corrige las dos cosas que el modelo ideal ignora —el volumen propio de las moléculas y la atracción entre ellas—:
En los hornos de difusión y en las cámaras de deposición, donde el caudal de gas se mide en sccm —centímetros cúbicos por minuto en condiciones normales—, que es una unidad de cantidad de sustancia disfrazada de volumen. Convertir sccm a moles por segundo es aplicar \( PV = nRT \) con \( P \) y \( T \) fijos por convención.
02Líquidos y sólidos: cuando las fuerzas ganan
Al bajar la temperatura, la energía cinética deja de alcanzar para vencer las fuerzas intermoleculares y la materia se condensa. En el líquido las moléculas se tocan pero se deslizan; en el sólido quedan fijas en posiciones definidas.
| Estado | Volumen y forma | Orden | Qué manda |
|---|---|---|---|
| Gas | Ninguno propio | Nulo | La energía térmica |
| Líquido | Volumen sí, forma no | De corto alcance | Empatan |
| Sólido cristalino | Los dos | De largo alcance, periódico | Las fuerzas de enlace |
| Sólido amorfo | Los dos | De corto alcance, congelado | La viscosidad al enfriar |
La última fila importa más de lo que parece. El vidrio y el dióxido de silicio térmico son amorfos: tienen el orden local del cristal —cada silicio rodeado de cuatro oxígenos— pero sin periodicidad. Y el silicio de las obleas es lo contrario, un monocristal en el que la red se repite sin interrupción de un extremo al otro, porque cualquier borde de grano sería un camino de fuga para los portadores.
Iónicos —NaCl, óxidos cerámicos—: duros, frágiles, aislantes en sólido. Covalentes de red —Si, diamante, SiC—: los más duros, punto de fusión altísimo, semiconductores o aislantes. Metálicos —Cu, Al—: dúctiles y conductores. Moleculares —hielo, parafina, la mayoría de los plásticos—: blandos y de punto de fusión bajo, porque lo que hay que vencer no es el enlace sino la fuerza entre moléculas.
03El diagrama de fases
Qué estado tiene una sustancia no lo decide la temperatura sola: lo deciden la temperatura y la presión juntas. El mapa de esa decisión es el diagrama de fases, y en él hay dos puntos con nombre propio: el punto triple, donde coexisten los tres estados, y el punto crítico, más allá del cual la distinción entre líquido y gas deja de tener sentido.
Movés la temperatura y la presión, y el punto se ubica en el mapa. Fijate en el silicio y el agua: sus curvas de fusión se inclinan hacia la izquierda, al revés que las demás.
Casi todas las sustancias se contraen al solidificar, y por eso su curva de fusión se inclina hacia la derecha: más presión, más difícil fundir. El agua y el silicio se expanden al congelarse —ambos forman una red tetraédrica más abierta que el líquido—, así que su curva se inclina hacia la izquierda. Es el mismo motivo por el que flota el hielo y por el que un crisol de silicio que se solidifique con el lingote adentro se parte.
04El vacío, que es donde se fabrican los chips
Buena parte de la fabricación electrónica ocurre en cámaras de vacío: evaporación de metales, sputtering, implantación iónica. La razón no es la limpieza sino la geometría. Para que un átomo evaporado llegue en línea recta hasta la oblea, no tiene que chocar con nada en el camino, y cuánto recorre sin chocar es el camino libre medio:
Esos 50 metros son el número que justifica toda la ingeniería de vacío: si la cámara mide medio metro, un camino libre medio de 50 m significa que prácticamente ningún átomo choca antes de llegar. El laboratorio de arriba calcula \( \lambda \) para la presión elegida.
| Régimen | Presión | \( \lambda \) | Para qué |
|---|---|---|---|
| Atmósfera | 760 torr | 65 nm | — |
| Vacío medio | 10⁻³ torr | 5 cm | Sputtering, plasmas de grabado |
| Alto vacío | 10⁻⁶ torr | 50 m | Evaporación de metales |
| Ultra alto vacío | 10⁻⁹ torr | 50 km | Epitaxia por haces moleculares |
05En el laboratorio
Con una jeringa de 60 mL tapada y un manómetro, comprimir el aire en pasos y registrar \( P \) y \( V \). Graficar \( P \) contra \( 1/V \) y verificar la linealidad. Estimar el error que introduce el volumen muerto de la conexión.
Observar el CO₂ sólido a presión atmosférica: sublima sin pasar por líquido. Explicar con el diagrama de fases por qué, y calcular a qué presión habría que llevarlo para verlo fundir.
Fundir estaño de soldadura en un crisol con una termocupla adentro y registrar la temperatura mientras se enfría. Identificar la meseta de solidificación y compararla con el punto de fusión de la aleación usada.
06Errores frecuentes
- Usar \( PV = nRT \) con la temperatura en grados Celsius. \( T \) siempre va en kelvin.
- Creer que todo sólido es cristalino. El vidrio y el SiO₂ térmico son amorfos, y eso cambia sus propiedades.
- Pensar que más presión siempre solidifica. En el agua y en el silicio es al revés.
- Confundir evaporación con ebullición. Una ocurre en la superficie a cualquier temperatura; la otra, en todo el volumen, cuando la presión de vapor iguala a la externa.
- Suponer que el vacío es «no tener nada». A 10⁻⁶ torr quedan unas 10¹⁰ moléculas por centímetro cúbico; lo que cambia es cuánto viajan sin chocar.
07Autoevaluación
¿Qué volumen ocupa un mol de gas a 0 °C y 1 atm?
22,4 litros, y no depende de qué gas sea.
¿Qué es el punto triple?
La única combinación de presión y temperatura en la que coexisten sólido, líquido y vapor. Para el agua, 0,006 atm y 0,01 °C.
¿Por qué flota el hielo?
Porque el agua se expande al solidificar: su red tetraédrica es más abierta que el líquido. El silicio hace lo mismo.
¿Qué distingue un sólido cristalino de uno amorfo?
El orden de largo alcance. El amorfo conserva el orden local pero no la periodicidad.
¿Para qué sirve el alto vacío en la evaporación de metales?
Para que el camino libre medio supere ampliamente el tamaño de la cámara y los átomos lleguen en línea recta a la oblea.
¿Qué corrige la ecuación de van der Waals?
El volumen propio de las moléculas, con \( b \), y la atracción entre ellas, con \( a \).
08Para ampliar
- Raymond Chang y Kenneth A. Goldsby. Química. 12.ª ed., McGraw-Hill, 2017. Los capítulos 5 y 11: gases ideales y reales, fuerzas intermoleculares y diagramas de fases.
- William D. Callister y David G. Rethwisch. Introducción a la ciencia e ingeniería de los materiales. 9.ª ed., Reverté, 2019. Estructuras cristalinas, sólidos amorfos y diagramas de equilibrio de aleaciones.
- Stephen A. Campbell. Fabrication Engineering at the Micro- and Nanoscale. 4.ª ed., Oxford University Press, 2013. El capítulo de vacío: camino libre medio, bombas y los regímenes de la tabla de esta unidad.