Malhas: Os blocos de construção dos cristais

Entendendo as redes e as estruturas cristalinas

Se você já se perguntou por que os diamantes são tão duros, os metais se deformam de maneiras diferentes ou os semicondutores funcionam da maneira que funcionam, o motivo são as redes - o andaime invisível que mantém os átomos juntos. Essencialmente, uma rede é um arranjo regular e repetitivo de pontos no espaço e, quando os átomos se assentam nos pontos, temos uma estrutura cristalina.

Pense nisso como uma grade urbana: a rede é a grade e os átomos são os edifícios. O padrão da grade determina o fluxo de tráfego - ou, no nosso caso, o fluxo de elétrons, a transferência de calor ou a distribuição de tensão em um material.

A rede na prática

As redes não são conceitos puramente abstratos; elas afetam diretamente as propriedades dos materiais. Vejamos os casos do alumínio e do tungstênio. Ambos são metais, mas o alumínio tem uma rede FCC, enquanto o tungstênio tem uma rede BCC. Essa diferença na estrutura atômica é o que faz com que o alumínio seja leve e flexível (facilmente esticado ou moldado), enquanto o tungstênio é extremamente denso e duro, mas quebradiço.

Mesmo pequenas alterações no espaçamento da rede têm consequências enormes. O silício, por exemplo, na tecnologia de semicondutores, tem uma constante de rede de 5,43 Å (angstroms), e pequenas variações de dopantes nessa rede podem literalmente alterar a condutividade de forma fundamental. Os engenheiros levam isso em consideração ao projetar transistores e microchips, onde a precisão atômica é necessária.

Conceito básico de estrutura cristalina

Uma estrutura cristalina é simplesmente a estrutura e os átomos (ou moléculas) nos pontos da estrutura. A menor unidade que pode reproduzir toda a estrutura é uma célula unitária. O volume e a forma, conhecidos como parâmetros da rede, definem o cristal inteiro.

Exemplos:

- As células unitárias cúbicas (como as do cloreto de sódio) têm bordas iguais e ângulos de 90°.

- Células hexagonais (por exemplo, grafite) com dois eixos equivalentes a 120° e outra altura no terceiro eixo.

Essas diferenças não são superficiais. Elas definem a resistência mecânica, a qualidade óptica e até mesmo a reatividade química. Os diamantes, por exemplo, têm uma estrutura cúbica que é capaz de fazer ligações covalentes fortes em todas as direções - é por isso que os diamantes são o material natural mais duro. O grafite, que tem uma estrutura hexagonal, é escorregadio e macio porque as camadas deslizam umas sobre as outras sem esforço.

Modelos de rede na física

Os físicos simplificam problemas complexos utilizando modelos de rede. Em vez de rastrear cada partícula, eles simulam interações em um conjunto finito de pontos da rede.

Entre os mais antigos está o modelo de Ising, que modela o comportamento magnético em materiais. Os spins magnéticos são atribuídos a todos os pontos em uma rede e usados para estudar transições de fase, por exemplo, quando um material é ferromagnético em uma temperatura quando resfriado. Outro é o modelo de estado sólido de ligação estreita, que modela a dinâmica dos elétrons em uma rede cristalina - a base para a compreensão de semicondutores e supercondutores.

Tipos de redes cristalinas

Os cristais são classificados com base em sua simetria e geometria. Há sete sistemas principais:

1. Cúbico: eixos iguais, ângulos de 90° (NaCl, cobre).

2. Tetragonal: Um eixo de comprimento diferente (estanho).

3. Ortorrômbico: Três eixos desiguais, todos de 90° (enxofre).

4. Hexagonal: Dois eixos iguais a 120° (grafite, zinco).

5. Trigonal (romboédrico): Eixos iguais, ângulos oblíquos (calcita).

6. Monoclínico: Eixos desiguais, um ângulo não reto (gipsita).

7. Triclínica: Eixos e ângulos desiguais (cianita).

Esses sistemas também correspondem às 14 redes de Bravais, o conjunto completo de formas de redes potenciais no espaço 3D.

Perguntas frequentes

Qual é a diferença entre uma rede e um cristal?

A rede é o arranjo geométrico; o cristal é a substância em que os átomos se encontram nos pontos da rede.

Como as redes são empregadas na física?

Elas simplificam interações complexas, permitindo que os cientistas prevejam o magnetismo, a condutividade e as transições de fase.

Os materiais não cristalinos podem apresentar estruturas de rede?

Sim, alguns materiais amorfos possuem ordem de curto alcance, mas não possuem periodicidade de longo alcance.

Por que as redes são úteis no projeto de materiais?

As características mecânicas, elétricas e ópticas são definidas por meio da estrutura da rede, permitindo que os engenheiros produzam materiais mais fortes, mais leves ou mais condutores.

Conclusão

As redes são a estrutura subjacente do mundo material. Desde a dureza do diamante até a condutividade do silício, tudo é conhecido em termos de estrutura de rede. É isso que cientistas e engenheiros aplicam para criar novos materiais, de eletrônicos a produtos farmacêuticos e metalurgia, e é isso que torna o estudo das redes fundamental e aplicado.

Para obter mais informações e materiais de cristal de alta qualidade, acesse Stanford Advanced Materials (SAM).