¿Por qué los metales no se unen cuando se tocan?

Tengo entendido que los metales son una red cristalina de iones, unidos por electrones deslocalizados, que se mueven libremente a través de la red (y conducen electricidad, calor, etc.).

Si dos piezas del mismo metal se tocan, ¿por qué no se unen?

Me parece que los electrones deslocalizados se moverían de un metal al otro y extenderían el enlace, manteniendo juntas las dos piezas. Si los electrones no se mueven libremente de una pieza a la otra, ¿por qué no sucedería esto cuando se aplica una corriente (a través de las dos piezas)?

Recuerdo haber escuchado algo sobre cómo esto era un problema en el espacio cuando se cortaba metal que podía volver a fusionarse porque la capa exterior no se oxidaba (sin oxígeno, imagínense) o algo así.
Solo quiero preguntar: ¿recordaste preguntar esto debido a la impresión 3D?
@cinco, no, comencé a preguntarme sobre eso en un curso de física sobre materiales hace unos meses y me ha estado molestando desde entonces. ¿Qué tiene que ver esto con la impresión 3D?
@jcw Mencioné la impresión 3D porque este principio, básicamente soldadura en frío, asociado con el nanoprocesamiento, tiene un gran potencial (en mi opinión) en la impresión 3D de metales. La impresión 3D es el futuro de la industria, y encontrar nuevos materiales y procesos que puedan dar respuesta a las necesidades reales es el reto actual. El hecho de que los metales puedan soldarse en frío es uno de los principios que puede ser fundamental en esta evolución.
IIRC, puede hacer esto con oro bastante bien, por las razones que se mencionan a continuación: 2) el oro no se oxida; es bastante suave, lo que significa que 1) los enlaces no son tan fuertes (y tan difíciles de crear considerando la barrera de baja energía) y 2) una pequeña presión es suficiente para reducir la rugosidad de la superficie.
Dos piezas de mercurio se unen bastante bien ;-)

Respuestas (10)

Creo que el mero contacto no acerca lo suficiente las superficies. La superficie de un metal no suele ser perfecta. Tal vez tenga una capa de óxido que resista cualquier tipo de reacción. Si el metal es extremadamente puro y si pones dos piezas extremadamente juntas, entonces se unirán. También se llama soldadura en frío.

Para más información:

Creo que las losas de vidrio extremadamente limpias y planas también se unirán cuando se pongan en contacto, pero por una razón completamente diferente a la de los puentes de electrones deslocalizados.
Incluso hay una herramienta de ingeniería antigua, un conjunto de paralelepípedos de metal para medir la longitud (algo así como pesas para pesar). Están tan pulidos que casi se sueldan cuando se tocan. Edito: ¡lo encontré! Se llama "bloques patrón". en.wikipedia.org/wiki/Gauge_block
Hay una grave falta de videos sobre esto en Youtube.
"También se llama soldadura en frío". También es parte de lo que sucede en el desgaste del sujetador roscado. Un punto que puede surgir mucho en el ensamblaje de piezas ultra limpias para experimentos de bajo fondo en física de partículas.
@ polkovnikov.ph Los bloques patrón son tanto 'una antigua herramienta de ingeniería' como un automóvil es una antigua forma de transporte. Ambos datan de poco antes del comienzo del siglo XX, y ambos todavía están en uso actual.
Creo que el punto sobre los bloques patrón (también llamados bloques de Johanssen) debería hacerse con más fuerza. Estos son bloques de metal cuyas superficies están rectificadas tan perfectamente planas que dos bloques se adhieren si simplemente se presionan entre sí. Wikipedia dice : “ Escurrir es el proceso de deslizar dos bloques juntos para que sus caras se unan ligeramente. Debido a sus superficies ultraplanas, cuando se estrujan, los bloques patrón se adhieren entre sí firmemente. Los bloques correctamente escurridos pueden soportar un tirón de 75 lbf (330 N)”.
He tenido superficies de metal muy limpias soldadas entre sí en un vacío ultraalto. Las superficies eran lisas, pero no demasiado. Eran ajustes por fricción para un cañón de electrones. Esto también sucede en el espacio exterior. ¿La solución? (a) agregue algo de suciedad no volátil, como "molibdeno seco", disulfuro de molibdeno, o (b) cubra las superficies con diferentes metales, como plata en uno, aluminio en el otro, o (c) use diferentes metales. Esta forma de soldadura en frío se acelera cuando la cámara de vacío se calienta para eliminar los últimos restos de vapor de agua.
Con un martillo puedes convencer a los electrones para que se muevan de una pieza a la otra y formen una soldadura fría débil.
Si las superficies son muy planas y limpias, una vez expulsado el aire también habrá una alta presión (1 atm aproximadamente) que las acercará aún más. En este punto, creo que se produce la soldadura en frío. Creo que la orientación también juega un papel, de modo que la unión es más fuerte cuando no hay un defecto en la interfaz y se obtiene una red cristalina única de las dos piezas.

Lo hacen, como dijo Feynman. Si tienes dos piezas de cobre perfectamente pulidas y las pones en contacto, se soldarán automáticamente (los átomos de cobre no sabrán a qué pieza pertenecen).

Pero en la vida real, los aceites, óxidos y otras impurezas no permiten este proceso.

¡Lo encontré! Lea las propias palabras de Feynman (donde m = coeficiente de fricción):

Si tratamos de obtener cobre absolutamente puro, si limpiamos y pulimos las superficies, desgasificamos los materiales en el vacío y tomamos todas las precauciones imaginables, todavía no obtenemos m . Porque si inclinamos el aparato incluso hasta una posición vertical, la corredera no se caerá: ¡las dos piezas de cobre se pegan! el coeficiente m , que normalmente es menor que la unidad para superficies razonablemente duras, ¡se convierte en varias veces la unidad! La razón de este comportamiento inesperado es que cuando los átomos en contacto son todos del mismo tipo, no hay forma de que los átomos “sepan” que están en diferentes piezas de cobre. Cuando hay otros átomos, en los óxidos y grasas y capas superficiales delgadas más complicadas de contaminantes en el medio, los átomos "saben" cuándo no están en la misma parte. Cuando consideramos que son las fuerzas entre los átomos las que mantienen unido al cobre como un sólido, debería quedar claro que es imposible obtener el coeficiente de fricción correcto para los metales puros.

El mismo fenómeno se puede observar en un sencillo experimento casero con un plato de vidrio plano y un vaso de vidrio. Si se coloca el vaso sobre el plato y se tira de él con un lazo de cuerda, se desliza bastante bien y se puede sentir el coeficiente de fricción; es un poco irregular, pero es un coeficiente. Si ahora humedecemos la placa de vidrio y el fondo del vaso y tiramos de nuevo, encontramos que se atasca, y si miramos de cerca encontraremos rayones, porque el agua es capaz de levantar la grasa y los demás contaminantes de la superficie, y luego realmente tenemos un contacto de vidrio a vidrio; este contacto es tan bueno que se mantiene apretado y resiste tanto la separación que el vidrio se rompe; es decir, hace rayones.

Fuente: http://www.feynmanlectures.caltech.edu/I_12.html

Pero, ¿y si pasara una corriente a través de los dos metales? ¿No haría esto que los electrones se movieran a través de ellos, creando así un enlace?
@jcw Una corriente solo significa que hay un movimiento masivo de la nube de electrones: no hay más o menos electrones para unir cosas, y probablemente no pasen más tiempo del habitual conectando la interfaz.
@ChrisWhite: claramente, algunos electrones se cruzan entre los dos metales. ¿Qué impide que estos pocos unan los dos lados?
@jcw: los electrones libres no pueden formar un enlace. los electrones que están en un orbital crean un enlace esencialmente por orbitales de "tiempo compartido" propiedad de núcleos vecinos.
@jcw Como curiosidad, los electrones solo pueden pasar la capa de óxido por efecto túnel.
Entonces, en términos de física básica, los electrones pueden pasar a través de la capa de óxido, pero no tienen ningún efecto sobre los iones de ambos lados mientras pasan, ¿correcto?
He sido testigo de esto, con bloques de calibre de altura extremadamente precisos que tenían un acabado increíblemente plano. Mantenerlos juntos durante unos 30 segundos hizo que fuera difícil separarlos. Bastante increíble de ver. Mi profesor se refirió a esto como 'soldadura en frío'.
@jcw Una corriente eléctrica puede atravesar las capas de oxidación. Esto se llama fritura . Aunque no es una instancia de soldadura, explica por qué los contactos eléctricos de alto voltaje no tienen que mantenerse mucho. Incluso un enchufe de electrodoméstico bastante deslustrado, por ejemplo, funcionará bien. Pero, digamos, los conectores de pequeña señal (por ejemplo, audio) no funcionarán bien si no están limpios y pulidos. (Es bueno que los conectores de alto voltaje también estén en buenas condiciones, de modo que no se tenga que depender tanto del fritado. Una alta resistencia de contacto inicial que se deba romper podría generar calor brevemente).
@deed02392 Tenga en cuenta que los objetos planos grandes presionados juntos también son difíciles de separar simplemente debido a la presión atmosférica. El espacio entre ellos es un vacío, y el aire tiene que entrar rápidamente cuando los separas. Al principio de la separación, la grieta por la que puede entrar el aire es pequeña.
@Kaz Lo cual no es un problema si lo realiza al vacío;)
Cuál es el m él está haciendo referencia?
@pentano Coeficiente de fricción.

Dos razones:

  • Óxidos
  • La rugosidad de la superficie

Si la superficie es áspera, entonces la mayor parte de la superficie toca el espacio de aire entre los dos, no la superficie opuesta. Se puede formar una unión en los "picos" que se tocan, pero será débil en comparación con el resto del metal porque una fracción muy pequeña de la superficie se ha unido.

Además, las superficies metálicas absorben oxígeno y forman monocapas de óxidos/oxígeno en la superficie. Este es en realidad un proceso visible con metales como el sodio y el potasio (el color cambia en un corto período de tiempo). Pero para todos los metales, todavía hay formación de óxido en una medida suficiente, porque los metales del borde no han cumplido completamente sus valencias. Incluso una monocapa de oxígeno adsorbido es suficiente para evitar que las superficies se suelden.

Si se juntan dos superficies metálicas planas y limpias (normalmente en el vacío), se sueldan en frío . Esto es difícil de lograr para objetos macroscópicos debido al requisito de planitud perfecta, pero aún es posible. En la práctica, se usa más comúnmente para soldar cosas pequeñas.

"todos los metales"? ¿Incluso el oro tiene una capa de óxido apreciable?
@ChrisWhite Apreciable = suficiente para dejar de soldar. El oro no forma una capa completa de óxidos, pero formará una monocapa de oxígeno y otras cosas. Lo que llamo "capa de óxido" (probablemente no debería, lo editaré)

Creo que esto es esencialmente lo que sucede en el dorado , debido a las propiedades especiales del oro (maleabilidad y ausencia de corrosión).

Las superficies extremadamente planas pueden atascarse debido a las fuerzas de Van der Waals y a la presión del aire. Una vez junté por accidente dos ventanas ópticas de cuarzo y me costó muchísimo separarlas.

IIRC También es cómo se forman las pepitas de oro en los ríos a través de la agregación de partículas de oro.
@ Random832 Eso parece ser falso (aunque probablemente era una teoría común y tiene sentido). en.wikipedia.org/wiki/Gold_nugget#Formation Parece que cuando examinaron la estructura del grano, era consistente con un fragmento de una veta que ha sido erosionada, en comparación con los granos de partículas que se soldaron en frío.

No puedo comentar ya que no tengo la reputación de hacerlo, pero tengo algunos conocimientos relevantes de mi investigación en ciencia de materiales.

Para agregar a lo que dijo DumpsterDoofus, es muy fácil que dos piezas de vidrio o polímero se unan si las limpia extremadamente bien e ioniza la superficie. Busque polimerización por plasma .

Además, se sorprendería de la cantidad de "suciedad" que hay realmente en la superficie de cualquier pieza de material en condiciones atmosféricas estándar. Hay una razón por la que muchas técnicas de caracterización de materiales superficiales requieren un vacío ultraalto, según recuerdo, se trata de 1 capa atómica/segundo de deposición bajo 10 − 6 t o r r ( fuente ). Si desea que dos metales se unan sin aplicar calor o fuerza, necesitará obtener una aspiradora mejor que eso y luego limpiar la capa de óxido.

También te sorprendería la cantidad de material orgánico que cubre la superficie de todo lo que te rodea. Tus dedos producen aceite y se adhieren a la superficie de todo lo que tocas, y tu piel muerta se desprende todo el tiempo y cubre todo lo que te rodea. Puede notarlo si lleva una muestra metálica a un SEM y le dispara electrones para obtener una imagen de la superficie. Si tiene material orgánico en la superficie, después de un tiempo, el área donde disparó los electrones se oscurecerá, puede notarlo si se aleja o se desplaza. Esto se debe a la contaminación por hidrocarburos, por lo general de los aceites en los dedos.

Los metales con superficies perfectamente limpias se unirán como explicaste, pero ese no es el caso en la vida real porque hay una capa delgada de oxígeno que bloquea la superficie del metal.

Al igual que se forma el óxido, finas capas de oxígeno cubren cada superficie metálica al entrar en contacto.

Tengo entendido que durante largos períodos de tiempo los metales se unirán. Estoy bastante seguro de que los tesoros antiguos y el metal encontrado en las tumbas se han encontrado unidos.
@BrandonEnright, por lo general, según tengo entendido, lo que los une son las capas de óxido en los elementos individuales que se fusionan, no los elementos reales que se sueldan en frío.
@jyendo tal vez por tesoros antiguos, sí, pero ¿no sería razonable limpiar las superficies bajo presión y soldarlas en frío con el tiempo debido a la difusión, incluso si hubiera una capa de óxido?

Hay mucho más en la unión que el intercambio de electrones. Especialmente porque los electrones que forman parte de la nube de electrones no participan en los enlaces cristalinos.

Todos los metales son básicamente cristales: tienen una red adecuada, para soldar dos partes, tendría que construir una red común (al menos en el área donde están soldadas). Cuando suelda correctamente, crea una fase líquida entre (por calor o corriente) que cristaliza.

Puede que me equivoque, pero se puede observar esta soldadura. Por ejemplo, si tiene algunos tornillos de hierro viejos, que están atornillados en un elemento también hecho de hierro (y no están bien engrasados), después de un tiempo pueden ser muy difíciles de desatornillar, supuestamente fue debido a la difusión de átomos entre ambas partes, lo cual fue fácil. debido a la misma estructura reticular. Una vez más: escuché esto como una anécdota en una conferencia de física, pero no busqué más pruebas.

Esa es una idea interesante. Me pregunto si eso tiene más efecto que el óxido.
Supongo que este efecto puede verse facilitado por el hecho de que si lo enroscas muy fuerte, el acceso al oxígeno en el interior es limitado, por lo que la oxidación y el óxido juegan un papel menor.

Para agregar a las ideas de otros sobre este tema, creo que el concepto de "Potencial de superficie" también juega un papel importante en esto. La rugosidad interfiere con el potencial superficial del material porque crea espacios donde los dos metales no pueden unirse. Esto reduce el potencial superficial del material.

Materiales como óxidos, aceites u otros residuos que se pueden encontrar en los metales también reducen el potencial superficial del material. Este potencial superficial puede reducirse mediante interacciones de Van Der Waal, interacciones iónicas y otras interacciones polares a nivel molecular no polar. Cada molécula que entra en contacto con el metal, ya sea el aire que se encuentra en la superficie o entre los espacios debido a la rugosidad o los residuos, tiene el potencial de reducir su potencial superficial.

Ej: Considere la posibilidad de enlazar en un metal o es más fácil para usted (en un semiconductor) donde está acostumbrado a dibujar enlaces Si-Si a cada átomo vecino, sin embargo, EN LA SUPERFICIE del átomo, los electrones no pueden unirse porque no hay más disponibles. electrones Esto hace que las superficies de metal u otros materiales como los semiconductores sean extremadamente reactivos: formando capas de óxido o reduciendo su potencial superficial a través de las interacciones átomo-átomo, átomo-molécula antes mencionadas. (Es más fácil considerar el silicio ya que tiene electrones que se "consideran" unidos a su núcleo en lugar de un metal de transición puro que tiene "electrones libres" que la gente no considera unidos al núcleo.

ingrese la descripción de la imagen aquí

Si bien el simple contacto entre metales no es suficiente para que la mayoría de los metales se unan, el movimiento relativo logrará la fusión entre los metales (en pequeños contactos). Una ocurrencia común es el agarrotamiento de dispositivos mecánicos debido a una lubricación insuficiente.

No creo que los tornillos se adhieran debido a la unión metal-metal, es una distorsión en su mayoría simple, particularmente de las roscas y el cuerpo del tornillo. Dañe un tornillo e insértelo en un espacio reducido y no lo volverá a atornillar.

Depende de la pureza del metal. Si la superficie está bien pulida, es posible realizar uniones con las piezas de metal adyacentes. Sin embargo, si hay óxidos y otras impurezas presentes en la superficie, la unión no es posible. Esto puede explicarse por la energía superficial del metal. Bueno, puedes ver que los metales se unen en la pulvimetalurgia.

¿Por qué los metales no se unen cuando se tocan?
RespuestasAquíPolítica de privacidad1y, 1v