Lógicamente, la naturaleza de los átomos que constituyen un material condiciona buena parte de sus propiedades. Al hablar de la naturaleza de los átomos no sólo nos referimos a cualidades como su masa o su volumen, sino también, y muy especialmente, al modo con que dichos átomos se agregan y se enlazan unos con otros.
Sin embargo, ésta no puede ser la única razón, ya que materiales químicamente idénticos en composición, como el grafito y el diamante, exhiben propiedades radicalmente diferentes. El grafito es blando y negro, con cierto brillo metálico, el diamante, en cambio, es extraordinariamente duro y transparente. No obstante, tanto el grafito como el diamante están compuestos tan sólo por átomos de carbono. Las extraordinarias diferencias entre ellos se deben únicamente a la forma en que sus átomos están dispuestos.
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| Grafito | Diamantes |
En relación con los materiales, la primera pregunta que debiéramos plantearnos es doble: ¿por qué los átomos tienden a agruparse, y de qué modo lo hacen? Afortunadamente, conocemos la respuesta: los átomos se unen y se disponen de modo que la situación final sea la más estable posible. La tendencia hacia la máxima estabilidad es un principio absolutamente general de la Naturaleza, y es el resultado del compromiso entre dos directrices termodinámicas netamente diferentes: la de tener la menor energía, medida a través de la entalpía (H), y la de alcanzar el máximo desorden, esto es, la máxima entropía (S). La variable termodinámica que mejor reúne estos dos aspectos es la denominada energía libre o de Gibbs (G), que se define como G=H-TS
Así pues, cuando los átomos de la materia no se están moviendo mucho de un lado para otro, se reúnen siguiendo la configuración con la energía libre más baja posible. Ésta es la razón por la que muchos materiales poseen en su interior un ordenamiento repetitivo y casi matemático de sus átomos. Los materiales que gozan de esta organización interna se denominan cristales o materiales cristalinos. Los que no la poseen son conocidos como materiales no cristalinos o amorfos.