Aplicación de la microscopía de fuerza atómica al estudio de la cristalización de soluciones sólidas a partir de soluciones acuosas

• Autores: José Manuel Astilleros García-Monge, L. Fernández-Díaz, Carlos M. Pina Martínez
• Localización: Boletín de la Real Sociedad Española de Historia Natural. Sección geológica, ISSN 0583-7510, Tomo 97, Nº 1-4, 2002, págs. 67-82
• Idioma: español
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• Resumen
  • español

    Tradicionalmente, los estudios teóricos y experimentales realizados dentro del campo del crecimiento cristalino se han centrado en sólidos que cristalizan con una composición fija. Sin embargo, en la naturaleza, la mayor parte de los cristales presenta una amplia variabilidad composicional (lo que se conoce como soluciones sólidas). Los cambios en la composición de un sólido durante su crecimiento afectan a las propiedades físicas y químicas de éste. Puesto que la crislalización es un fenómeno que ocurre en la interfase entre el crislal y el medio, dichos cambios se reflejarán en la evolución microtopográfica de la superficie durante el proceso de cristalización.

    El actual empleo de la microscopía de fuerza atómica está permitiendo abordar el estudio a escala molecular de las superficie cristalina y los cambios que experimentan durante su crecimiento. En este trabajo se describen algunos de los fenómenos que se producen en dichas superficies cuando la fase que cristaliza es una solución sólida. La complejidad de estos fenómenos hace muy difícil su interpretación e indica que el crecimiento cristalino de soluciones sólidas y el de sustancias de composición fija muestran características que difieren notablemente.

  • English

    Traditionally, theoretical and experimental studies carried out in crystal growth field have been focused on the crystallisation of solids with a fixed composition. However, in nature, most crystals show a wide compositional variability (solid solution). Solid composition changes during growth will affect both physical and chemical properties of the crystal. As crystallisation is a phenomenon that occurs at the crystal-medium interface, those changes will be reflected on the microtopographic evolution of crystal surface.

    Currently, the use of Atomic Force Microscopy is allowing to study the characteristics of crystal surfaces and their changes at a molecular scale during growth. In this work, we describe some phenomena that occur on crystal surfaces when the growing phase is a solid solution. The complexity of such phenomena both makes very difficult their interpretation and indicates that there are many differences between the crystal growth of solid solutions and substances of fixed composition.

    For all the solid solutions studied in this paper, calcite is one of the end-members. The divalent cations substituting Ca2+ are Cd2+, Mn2+, Sr2+, and Ba2+. The increasing difference in ionic radii determines the thermodynamic characteristics of the respective solid solutions and, therefore, their behaviour:

    1) In the system CdCO3-CaCO3-H2O, as Cd2+ and Ca2+ have very similar sizes, the growth of CdCO3 on a calcite substrate occurs without restrictions, with almost perfect structural fitting.

    2) In the system MnCO3-CaCO3-H2O, the growth of MnxCa1-xCO3 layers on a calcite substrate inhibits the development of successive layers, leading to the reproduction of the original microtopography. This phenomenon has d{101-4} been referred as 'template effect'.

    3) In the system BaCO3-CaCO3-H2O, the great difference between Ba2+ and Ca2+ sizes determines the selective incorporation of Ba in certain steps containing bigger and opener growth kinks. The incorporation of Ba substituting Ca promotes the change of calcite cell parameters. The thickening of d{101-4} can be clearly observed in AFM images.

    4) Finally, in the system SrCO3-CaCO3-H2O, several phenomena have been observed: the 'template effect', the selective incorporation of Sr in certain steps, and a solvent-mediated transformation. This transformation consists in the simultaneous dissolution of newly-formed SrxCa1-xCO3 (rhombohedral) layers and the growth of three-dimensional nuclei of SrxCa1-xCO3 (orthorhombic) on calcite surface.