Estrutura de materiais: conceito e exemplos - Ciência - 2023

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o estrutura de materiais é a maneira pela qual seus componentes estão ligados, ordenados e manifestados em diferentes escalas de observação. Componentes são entendidos como átomos, moléculas, íons, cadeias, planos, cristais, grãos cristalinos, entre outros conjuntos de partículas. E por sua vez, quando se trata de escalas de observação, nos referimos a nano, micro e macroestruturas.

Dependendo do tipo de ligação química presente nas estruturas dos materiais, ocorrerão diferentes propriedades mecânicas, químicas, ópticas, térmicas, elétricas ou quânticas. Se a ligação for iônica, o material será iônico. Enquanto isso, se a ligação for metálica, o material será metálico.

A madeira, por exemplo, é um material fibroso polimérico, feito de polissacarídeos de celulose. As interações eficientes entre suas cadeias de celulose definem um corpo rígido, capaz de ser moldado, cortado, tingido, polido, cinzelado.

É preciso ressaltar que o material é qualquer matéria que cumpra um propósito na vida ou na história da humanidade. Conhecendo suas estruturas, é possível projetar novos materiais com propriedades otimizadas para determinadas aplicações, sejam elas industriais, domésticas, artísticas, computacionais ou metalúrgicas.

Estrutura de materiais metálicos

Os materiais metálicos incluem todos os metais e suas ligas. Suas estruturas são compostas de átomos compactamente compactados um ao lado ou sobre o outro, seguindo uma ordem periódica. Diz-se, portanto, que são constituídos por cristais metálicos, que permanecem fixos e coesos graças à ligação metálica que existe entre todos os seus átomos.

Entre as estruturas cristalinas mais comuns para metais estão o cúbico centrado no corpo (bcc), o cúbico centrado na face (fcc) e o hexagonal compacto (hcp), sendo este último o mais denso. Muitos metais, como ferro, prata, cromo ou berílio, são caracterizados por atribuir a cada um deles uma dessas três estruturas.

No entanto, tal descrição não é suficiente para descrevê-los como materiais.

Os cristais metálicos podem assumir mais de uma forma ou tamanho. Assim, no mesmo metal será observado mais de um cristal. Na verdade, haverá muitos deles, que são mais conhecidos pelo termo grão cristalino.

A distância que separa os grãos uns dos outros é conhecida como borda ou limite dos grãos e é, junto com os defeitos cristalinos, um dos fatores mais determinantes nas propriedades mecânicas dos metais.

Estrutura de materiais cerâmicos

A maioria dos materiais pode ser descrita como na seção anterior, ou seja, dependendo dos cristais, seus números, tamanhos ou formas. O que varia, entretanto, no caso dos materiais cerâmicos, é que seus componentes não são constituídos apenas por átomos, mas por íons, freqüentemente localizados em uma base amorfa de silicato.

Portanto, as cerâmicas tendem a ser materiais semicristalinos ou totalmente cristalinos quando o dióxido de silício está ausente. As ligações iônicas e covalentes predominam em suas estruturas, sendo as ligações iônicas as mais importantes. As cerâmicas são geralmente materiais policristalinos; isto é, eles consistem em muitos cristais pequenos.

Cerâmica são materiais de composições altamente variáveis. Por exemplo, carbonetos, nitretos e fosfetos são considerados cerâmicas, e suas estruturas formadas por redes tridimensionais são governadas por ligações covalentes. Isso lhes confere a propriedade de serem materiais muito duros com alta resistência térmica.

Cerâmicas vítreas, tendo uma base de dióxido de silício, são consideradas amorfas. Portanto, suas estruturas são confusas. Enquanto isso, existem cerâmicas cristalinas, como os óxidos de alumínio, magnésio e zircônio, cujas estruturas são constituídas por íons unidos pela ligação iônica.

Estrutura de materiais cristalinos

Os materiais cristalinos constituem uma grande família de materiais. Por exemplo, metais e cerâmicas são classificados como materiais cristalinos. A rigor, materiais cristalinos são todos aqueles cujas estruturas são ordenadas, independentemente de serem compostas por íons, átomos, moléculas ou macromoléculas.

Todos os sais e a grande maioria dos minerais se enquadram nessa classificação. Por exemplo, o calcário, composto principalmente por carbonato de cálcio, pode ser considerado um material cristalino, embora nem sempre seja transparente e brilhante, de acordo com seu processo natural de formação.

Os cristais de açúcar, por outro lado, são feitos de moléculas de sacarose. Como tal, o açúcar não é um material, a menos que castelos, carcaças, móveis ou cadeiras sejam feitos de açúcar. Então, o próprio açúcar se tornaria um material cristalino. O mesmo raciocínio se aplica a todos os outros sólidos moleculares, incluindo gelo.

Estrutura de materiais ferrosos

Materiais ferrosos são todos aqueles que consistem em ferro e suas ligas com carbono. Portanto, os aços contam como materiais ferrosos. Suas estruturas, como a dos metais, são baseadas em cristais metálicos.

Porém, as interações são um pouco diferentes, já que os átomos de ferro e carbono fazem parte dos cristais, não sendo possível falar de uma ligação metálica entre os dois elementos.

Outros exemplos

Nanomateriais

Muitos nanomateriais, como os materiais já discutidos, também são descritos em termos de seus nanocristais. No entanto, eles compreendem outras unidades estruturais mais exclusivas, feitas de menos átomos.

Por exemplo, as estruturas dos nanomateriais podem ser descritas por átomos ou moléculas dispostas na forma de esferas, miscelas, tubos, planos, anéis, placas, cubos, etc., que podem ou não gerar nanocristais.

Embora a ligação iônica possa estar presente em todas essas nanoestruturas, como é o caso das nanopartículas de inúmeros óxidos, a ligação covalente é mais comum, responsável por fornecer os ângulos de separação necessários entre os átomos.

Materiais poliméricos

As estruturas dos materiais poliméricos são predominantemente amorfas. Isso se deve ao fato de seus polímeros conformadores serem macromoléculas que dificilmente conseguem se ordenar de forma periódica ou repetitiva.

No entanto, em polímeros podem haver regiões relativamente ordenadas, razão pela qual alguns são considerados semicristalinos. Por exemplo, polietileno de alta densidade, poliuretano e polipropileno são considerados polímeros semicristalinos.

Materiais hierárquicos

Materiais hierárquicos são vitais por natureza e sustentam corpos vivos.A ciência dos materiais se dedica incansavelmente a imitar esses materiais, mas usando outros componentes. Suas estruturas são "desmontáveis", começando pelas partes menores às maiores, que se tornariam o suporte.

Por exemplo, um sólido que é composto de várias camadas de diferentes espessuras, ou que tem cavidades tubulares e concêntricas ocupadas por átomos, será considerado hierárquico na estrutura.

Referências

Shiver & Atkins. (2008). Química Inorgânica. (Quarta edição). Mc Graw Hill.
Wikipedia. (2020). Ciência de materiais. Recuperado de: en.wikipedia.org
Marc Ander Meyers e Krishan Kumar Chawla. (s.f.). Materiais: Estrutura, Propriedades e Desempenho. [PDF]. Cambridge University Press. Recuperado de: assets.cambridge.org
Universidade de Washington. (s.f.). Metais: Estruturas de Metais. Recuperado de: depts.washington.edu
University of Tennessee. (s.f.). Capítulo 13: Estrutura e propriedades da cerâmica. [PDF]. Recuperado de: web.utk.edu