Imperfeições Nos sólidos

Imperfeições nos Sólidos

Por que estudas as imperfeições nos Sólidos?

As imperfeições nos sólidos influenciam as propriedades dos materiais, consequentemente é importante ter conhecimento sobre os tipos de imperfeições o sobre os papéis que estas desempenham ao afetar o comportamento dos materiais. Por exemplo, as propriedades mecânicas dos metais puros sofrem alterações significativas quando são ligados (isto é, quando são adicionados de impurezas) – por exemplo, a Prata de Lei (92,5% prata -7,5% cobre) é muito mais dura e resistente do que a Prata pura. Além disso, os dispositivos microeletrônicos dos circuitos integrados que estão presentes em nossos computadores, eletrodomésticos e calculadoras funcionam devido a concentrações rigorosamente controladas de impurezas específicas, as quais sã incorporadas em regiões pequenas e localizadas de materiais semicondutores.

Introdução

Para um sólido cristalino consideramos implicitamente que, em uma escala atômica, existe uma ordem perfeita ao longo de toda a extensão do material. No entanto, esse tipo de sólido ideal não existe, todo material contem uma variedade de defeitos e imperfeições.

Por “Defeito Cristalino” designamos uma irregularidade na rede cristalina onde uma ou mais das suas dimensões é da ordem de um diâmetro atômico. A classificação das imperfeições é feita de acordo com a geometria ou dimensionalidade do defeito. Os defeitos podem ser pontuais ( aqueles que estão associados a uma ou a duas posições atômicas / Lacuna), lineares ( unidimensionais) e interfaciais (bidimensionais).

Defeitos Pontuais

Defeitos pontuais nos metais

A forma mais simples de um defeito pontual é a Lacuna, ou sítio na rede cristalina, onde um sítio que normalmente deveria estar ocupado apresenta a falta de um átomo. Todos os sólidos cristalinos contêm Lacunas, e não é possível criar m material isento desse defeito.

A existência de Lacunas pode ser explicada a partir do princípio da termodinâmica; a presença das lacunas aumenta a aleatoriedade de um cristal. O número de lacunas em condições de equilíbrio N_l para uma dada quantidade de material depende da temperatura, aumentando em função da temperatura de acordo com seguinte expressão:

N_(l = N exp⁡〖(-Q1/kT)〗 )

Na expressão, N representa o número total de sítios atômicos, Q_1 é a energia exigida para a formação de uma lacuna, T é a temperatura absoluta em kelvin, e K é a Constante de Boltzmann ou constante dos gases. O valor de K equivale a 1,38 x 〖10〗^(-23) J/átomo – K, ou 8,62 x 〖10〗^(-5) eV/átomo – K, dependendo das unidades de Q_1. Assim, o número de lacuna aumenta exponencialmente em função da temperatura.

Outra forma de defeito comum nos metais é o auto-intersticial que consiste em um átomo do cristal que se encontra comprimido no interior de um sítio intersticial, o qual por sua vez é um pequeno espaço vazio que, sob condições normais não estaria ocupado. Nos metais, o auto-intersticiai introduz distorções relativamente grandes na sua vizinhança de rede cristalina, isso porque o átomo é substancialmente maior do que a posição intersticial onde ele fica localizado. Contudo, a formação desse defeito existe somente em concentrações muito reduzidas, que são significativamente menores que aquelas exibidas pelas lacunas.

Figura 1 - Representação de uma Lacuna e um Auto-intersticial.

Defeitos Pontuais nas Cerâmicas

Os compostos cerâmicos também podem apresentar defeitos pontuais. Como ocorre nos metais, são possíveis tanto lacunas como intersticiais, entretanto, uma vez que os materiais cerâmicos contêm íons de pelo menos dois tipos diferentes, os defeitos podem ocorrer para cada espécie de íon. Por exemplo, no NaCl podem existir lacunas e intersticiais para o Na, e lacunas e intersticiais para o Cl.

A expressão estrutura de defeito é usada com frequência para designar os tipos e as concentrações dos defeitos atômicos encontrados nos materiais cerâmicos. Uma vez que os átomos existem na forma de íons carregados, quando são consideradas as estruturas de defeitos, as condições de eletroneutralidade do material devem ser mantidas. Eletroneutralidade é o estado que está presente quando existem números iguais de cargas positivas e cargas negativas dos íons.

Defeitos Pontuais nos Polímeros

Deve ser observado que o conceito de defeito é diferente nos polímeros (em relação aos metais e às cerâmicas) como uma consequência das macromoléculas em forma de cadeia e da natureza do estado cristalino para os polímeros. Defeitos pontuais semelhantes aos encontrados nos metais foram observados nas regiões cristalinas de materiais poliméricos; esses defeitos incluem as lacunas e os átomos e íons intersticiais. As extremidades das cadeias são consideradas como se fossem defeitos, visto que elas são quimicamente diferentes das unidades normais da cadeia. Átomos/íons de impurezas ou grupos de átomos/íons podem ser incorporados à estrutura molecular com defeitos intersticiais; eles também podem estar associados às cadeias principais ou como pequenas ramificações laterais.

Impurezas nos sólidos

Impurezas nos metais

Um metal puro que consiste em apenas um tipo de átomo é simplesmente impossível, impurezas ou átomos estranhos sempre estrão presentes, e alguns irão existir como defeitos cristalinos pontuais. Na realidade, mesmo com o emprego de técnicas relativamente sofisticadas, é difícil refiar metais até uma pureza superior a 99,9999%. Nesse nível os átomos de impurezas estão presentes em cada metro cúbico do material em uma quantidade de 〖10〗^(22 )e 〖10〗^23 átomos/m^3. Os metais mais familiares não são