El sistema cristalino hexagonal

Una comprensión adecuada de los materiales grafíticos requiere un conocimiento básico del sistema cristalino al que pertenece la estructura del grafito. Aunque un análisis exhaustivo de la cristalografía excede el alcance de este artículo, es fundamental comprender que los átomos de carbono en la estructura del grafito están dispuestos en una red cristalina hexagonal. Este sistema hexagonal encaja a la perfección con la estructura, los enlaces y las propiedades del carbono grafítico.

Un análisis exhaustivo de la cristalografía queda fuera del alcance de este documento. No obstante, para comprender adecuadamente la estructura y las propiedades del grafito, resulta útil contar con conocimientos básicos sobre el cristal de grafito. Con esto en mente, a continuación se presenta una introducción fundamental a los sistemas cristalinos y, en particular, al sistema hexagonal.

En general, la mayoría de las sustancias sólidas son cristales. Un cristal es la expresión topográfica externa de la estructura atómica o molecular y de las fuerzas que mantienen cohesionado a un sólido. Debido a la fuerza relativa y la dirección de los enlaces atómicos y moleculares, así como al tamaño de los átomos e iones que componen los sólidos, es más probable que se forme un cristal determinado que otro. El diccionario Webster define un cristal como: «una forma solidificada de una sustancia en la que los átomos o moléculas están dispuestos en un patrón repetitivo definido, de modo que la forma externa de una partícula o masa de la sustancia está constituida por caras planas dispuestas de forma simétrica». Esta definición es tan válida como cualquier otra.

Los mineralogistas y cristalógrafos han desarrollado una serie de seis sistemas cristalinos en los que se clasifican todas las sustancias cristalinas conocidas. Cada sistema está definido por un conjunto de ejes cristalográficos. La relación angular y la longitud de estos ejes entre sí es lo que define cada sistema en particular. Los seis sistemas son, en orden decreciente de simetría: isométrico (cúbico), tetragonal, hexagonal, ortorrómbico, monoclínico y triclínico. La disposición de los átomos o moléculas en una sustancia determinada define las caras cristalinas de dicha sustancia. La relación de estas caras con respecto a los ejes cristalográficos determina a qué sistema cristalino pertenece la sustancia.

El grafito cristaliza en el sistema hexagonal. Cuatro ejes cristalográficos definen el sistema hexagonal. Los cuatro ejes se designan como: «a1», «a2», «a3» y «c». A los tres ejes «a» se les asigna el prefijo «a» porque todos tienen la misma longitud relativa. Los ejes «a» son coplanares y parten del mismo origen. El ángulo entre ejes «a» adyacentes es de 120°. Todos los ejes «a» poseen extremos «negativos» de igual longitud que los extremos positivos. El ángulo de intersección entre cualquier extremo positivo y el extremo negativo más cercano es de 60°. El eje «c» emana del mismo origen que los ejes «a» y es perpendicular al plano de estos. Por lo general, se considera que el eje «c» es más largo que los ejes «a». La estructura cristalina hexagonal es una estructura anisotrópica. Si se observan los 4 ejes, se aprecia con facilidad que la apariencia de estos ejes no variará si toda la estructura se rota 120° en sentido positivo o negativo alrededor del eje «c». Sin embargo, si el eje «c» se rota 90° hacia adelante o hacia atrás respecto al plano de la página, la orientación de toda la figura cambia. La estructura presenta una anisotropía inherente.

Por el contrario, si se realizara el mismo ejercicio de rotación axial en los ejes isométricos, la diferencia sería evidente. Cualquier rotación en incrementos de 90° alrededor de cualquiera de los ejes isométricos devuelve la misma vista. El sistema isométrico es isotrópico. La unidad estructural de un cristal se conoce como celda unitaria. La celda unitaria es la unidad más pequeña en la que se puede dividir un cristal determinado. La celda unitaria del sistema hexagonal es simplemente la «celda unitaria hexagonal». Cabe señalar que la celda unitaria hexagonal no es un prisma hexagonal, sino un prisma rómbico. La estructura de la celda unitaria hexagonal (HUC), incluidas sus constantes dimensionales, se describirá en la sección Estructura y enlaces.