Los materiales fijan su comportamiento desde escalas de observación que implican un conocimiento de la micro-estructura. Se entiende por micro-estructura a aquel nivel de observación que implica desde enlaces atómicos a organizaciones o sistemas de organización entre moléculas. El arquitecto, más familiarizado con niveles de observación para la solución de sistemas constructivos y enlaces entre elementos dispares, también tiene por lo tanto que profundizar en este conocimiento que implica ramas como la física y la química.

Los átomos, compuestos por un núcleo donde se concentra prácticamente toda su masa masa y unos orbitales formados por electrones con el mismo valor de carga que el núcleo pero negativo, se encuentra generalmente inestable de manera aislada. Esta inestabilidad es mayor cuando su último orbital está cerca de “completarse o vaciarse”. Es por ello que tenga tendencia a combinarse para adquirir o ceder electrones o compartir electrones. Existen distintos tipos de enlace que establecen los átomos para formar moléculas: los denominados enlaces fuertes (iónico, covalente, metálico) y los enlaces débiles (fuerzas de Van der Waals, dipolos). Es muy común que un único material posea enlaces de distinta naturaleza en su configuración espacial. Es con este primer estudio de la micro-estructura el que muchas de las propiedades físicas y mecánicas del material pueden estimarse, incluso su futura vida útil.

La configuración espacial de estas partículas elementales enlazadas es el segundo nivel dentro de la micro-estructura que debemos conocer, pues afecta en primer lugar a la cantidad de masa que rellena el espacio: factor de empaquetamiento. Esta organización puede ser ordenada, parcialmente ordenada o desordenada. Las estructuras ordenadas, conocidas como cristalinas, se conforman en el espacio generalmente de manera bastante compacta y densa, pero con zonas diferenciadas en su densidad según la dirección. Es por ello que se comporten de distinta manera según la dirección de aplicación de una acción: son materiales anisótropos. Los sistemas en que se puede organizar el espacio de manera ordenada fueron determinados por Bravais y son 14 las redes posibles: redes de Bravais. El grupo de materiales que más puede representar este ordenamiento son los metales.

Sin embargo, los cristales no suelen ser ordenados en rangos elevados, por lo que pueden existir puntos de cambio de dirección o de ordenación, con zonas acotadas de gran perfección orden denominados granos: Son los policristales. Estos policristales, son sin embargo isótropos, pues a escala mayor son desordenados. Los puntos de cambio de orientación se denominan borde de grano y si se producen por defectos se denominan dislocaciones y pueden tener distinto origen.

Por otro lado, los materiales desordenados o de estructura amorfa o vítrea, poseen generalmente micro-estructuras menos densificadas, aunque con igual comportamiento independientemente de la dirección de la acción.

Los polímeros, aunque configurados algunos de manera lineal o en cadenas, es uno de los grupos de materiales de configuración micro-estructural desordenada al permitir su enlace el giro entre moléculas. Estas cadenas, conformadas por miles de unidades, se enrollan en sí mismas dejando gran espacio entre ellas, dando una de las configuraciones de menor densidad. El contacto entre cadenas o en la propia cadena conforma enlaces débiles, aunque el enlace entre moléculas de la cadena sean enlaces covalentes. Este grupo nos sirve de ejemplo para entender que la configuración espacial puede implicar: variación de densidad y de resistencia, pues la cadena rellena mal es espacio y por otro lado ante una solicitación u acción el enlace débil entre cadenas o en la propia cadena permite una gran deformación y baja oposición a la acción.

También dentro de las estructuras desordenadas tenemos que nombrar a los silicatos, muy abundantes en la corteza terrestre y base fundamental de muchos de los materiales de construcción tradicionales. Estas estructuras pueden formar zonas que se solapan y encuentran entre sí formando granos con gran rozamiento, donde la textura permite alcanzar en algunos materiales buenas densidades y resistencias, como en el cemento. Sin embargo, estos materiales poseen distinto comportamiento ante esfuerzos de compresión (que comprimen sus defectos) que a tracción que disminuyen el rozamiento o enlace entre granos y amplían sus defectos. En estos materiales podemos situar a la mayoría de pétreos y cerámicos.

En un tercer nivel tenemos la macro-estructura, que se refiere a zonas diferenciables de la estructura del material mediante la vista o ampliando a pequeña escala (lupa o microscopio óptico). Este nivel es fundamental en los materiales cerámicos y pétreos, donde se presentan defectos y vacíos, que disminuyen la resistencia y densidad del material. Incluso los vacíos existentes, conocido como porosidad, influye también en la durabilidad futura del material, especialmente si posee contacto con el exterior.

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