Sólido

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Forma cristalina única de insulina sólida .

Sólido é um dos quatro estados fundamentais da matéria (os outros são líquido , gás e plasma ). As moléculas em um sólido são compactadas e contêm a menor quantidade de energia cinética. Um sólido é caracterizado pela rigidez estrutural e resistência a uma força aplicada à superfície. Ao contrário de um líquido, um objeto sólido não flui para assumir a forma de seu recipiente, nem se expande para preencher todo o volume disponível como um gás. Os átomos em um sólido estão ligados uns aos outros, seja em uma rede geométrica regular ( sólidos cristalinos , que incluem metais e gelo comum ), ou irregularmente (umsólido amorfo , como vidro de janela comum). Os sólidos não podem ser comprimidos com pouca pressão, ao passo que os gases podem ser comprimidos com pouca pressão porque as moléculas de um gás são compactadas fracamente.

O ramo da física que lida com sólidos é chamado de física do estado sólido e é o principal ramo da física da matéria condensada (que também inclui os líquidos). A ciência dos materiais está preocupada principalmente com as propriedades físicas e químicas dos sólidos. A química do estado sólido está especialmente preocupada com a síntese de novos materiais, bem como com a ciência da identificação e composição química .

Descrição microscópica

Modelo de átomos compactados em um sólido cristalino.

Os átomos, moléculas ou íons que constituem os sólidos podem ser arranjados em um padrão de repetição ordenado ou irregular. Os materiais cujos constituintes estão dispostos em um padrão regular são conhecidos como cristais . Em alguns casos, o pedido regular pode continuar ininterrupto em grande escala, por exemplo, diamantes, onde cada diamante é um único cristal . Objetos sólidos grandes o suficiente para serem vistos e manuseados raramente são compostos de um único cristal, mas sim de um grande número de monocristais, conhecidos como cristalitos , cujo tamanho pode variar de alguns nanômetros a vários metros. Esses materiais são chamados de policristalinos . Quase todos os metais comuns e muitas cerâmicas são policristalinos.

Átomos de Si e O;  cada átomo tem o mesmo número de ligações, mas o arranjo geral dos átomos é aleatório.
Padrão hexagonal regular de átomos de Si e O, com um átomo de Si em cada canto e os átomos de O no centro de cada lado.
Representação esquemática de uma forma vítrea de rede aleatória (esquerda) e rede cristalina ordenada (direita) de composição química idêntica.

Em outros materiais, não há ordem de longo alcance na posição dos átomos. Esses sólidos são conhecidos como sólidos amorfos ; exemplos incluem poliestireno e vidro.

Se um sólido é cristalino ou amorfo depende do material envolvido e das condições em que foi formado. Os sólidos que são formados por resfriamento lento tendem a ser cristalinos, enquanto os sólidos que são congelados rapidamente têm maior probabilidade de ser amorfos. Da mesma forma, a estrutura cristalina específica adotada por um sólido cristalino depende do material envolvido e de como ele foi formado.

Embora muitos objetos comuns, como um cubo de gelo ou uma moeda, sejam quimicamente idênticos, muitos outros materiais comuns compreendem várias substâncias diferentes agrupadas. Por exemplo, uma rocha típica é um agregado de vários minerais e mineraloides diferentes , sem composição química específica. A madeira é um material orgânico natural que consiste principalmente em fibras de celulose incorporadas em uma matriz de lignina orgânica . Na ciência dos materiais, compostos de mais de um material constituinte podem ser projetados para ter as propriedades desejadas.

Classes de sólidos

As forças entre os átomos em um sólido podem assumir várias formas. Por exemplo, um cristal de cloreto de sódio (sal comum) é feito de sódio iônico e cloro , que são mantidos juntos por ligações iônicas . [1] No diamante [2] ou silício, os átomos compartilham elétrons e formam ligações covalentes . [3] Nos metais, os elétrons são compartilhados em ligações metálicas . [4] Alguns sólidos, particularmente a maioria dos compostos orgânicos, são mantidos juntos com as forças de van der Waalsresultante da polarização da nuvem de carga eletrônica em cada molécula. As diferenças entre os tipos de sólidos resultam das diferenças entre suas ligações.

Metais

O auge do Chrysler Building de Nova York , o edifício de tijolos com suporte de aço mais alto do mundo, é revestido de aço inoxidável.

Os metais normalmente são fortes, densos e bons condutores de eletricidade e calor . [5] [6] A maior parte dos elementos da tabela periódica , aqueles à esquerda de uma linha diagonal desenhada do boro ao polônio , são metais. As misturas de dois ou mais elementos em que o componente principal é um metal são conhecidas como ligas .

As pessoas têm usado metais para diversos fins, desde os tempos pré-históricos. A resistência e confiabilidade dos metais levou ao seu uso difundido na construção de edifícios e outras estruturas, bem como na maioria dos veículos, muitos aparelhos e ferramentas, tubos, sinais de trânsito e trilhos de ferrovia. Ferro e alumínio são os dois metais estruturais mais comumente usados. Eles também são os metais mais abundantes na crosta terrestre . O ferro é mais comumente usado na forma de uma liga, o aço, que contém até 2,1% de carbono , tornando-o muito mais duro do que o ferro puro.

Como os metais são bons condutores de eletricidade, eles são valiosos em aparelhos elétricos e para transportar corrente elétrica por longas distâncias com pouca perda ou dissipação de energia. Assim, as redes de energia elétrica dependem de cabos de metal para distribuir eletricidade. Os sistemas elétricos domésticos, por exemplo, são conectados com cobre por suas boas propriedades de condução e fácil usinabilidade. A alta condutividade térmica da maioria dos metais também os torna úteis para utensílios de cozinha em fogão.

O estudo de elementos metálicos e suas ligas constitui uma parcela significativa dos campos da química do estado sólido, física, ciência dos materiais e engenharia.

Os sólidos metálicos são mantidos juntos por uma alta densidade de elétrons deslocalizados e compartilhados, conhecida como " ligação metálica ". Em um metal, átomos prontamente perder o seu exterior ( "valência") electrões , formando positivos iões . Os elétrons livres são espalhados por todo o sólido, que é mantido unido firmemente por interações eletrostáticas entre os íons e a nuvem de elétrons. [7] O grande número de elétrons livres dá aos metais seus altos valores de condutividade elétrica e térmica. Os elétrons livres também impedem a transmissão da luz visível, tornando os metais opacos, brilhantes e lustrosos .

Modelos mais avançados de propriedades de metal consideram o efeito dos núcleos de íons positivos nos elétrons deslocalizados. Como a maioria dos metais tem estrutura cristalina, esses íons são geralmente organizados em uma rede periódica. Matematicamente, o potencial dos núcleos de íons pode ser tratado por vários modelos, sendo o mais simples o modelo de elétron quase livre .

Minerais

Uma coleção de vários minerais.

Minerais são sólidos naturais formados por meio de vários processos geológicos [8] sob altas pressões. Para ser classificada como um mineral verdadeiro, uma substância deve ter uma estrutura cristalina com propriedades físicas uniformes por toda parte. Os minerais variam em composição de elementos puros e sais simples a silicatos muito complexos com milhares de formas conhecidas. Em contraste, uma amostra de rocha é um agregado aleatório de minerais e / ou mineraloides e não tem composição química específica. A grande maioria das rochas da crosta terrestre consiste em quartzo (SiO 2 cristalino ), feldspato, mica, clorita, caulim , calcita, epidoto , olivina , augita , hornblenda , magnetita , hematita , limonita e alguns outros minerais. Alguns minerais, como quartzo , mica ou feldspato são comuns, enquanto outros foram encontrados em apenas alguns locais em todo o mundo. O maior grupo de minerais, de longe, são os silicatos (a maioria das rochas são ≥95% silicatos), que são compostos principalmente de silício e oxigênio , com a adição de íons de alumínio, magnésio , ferro, cálcio e outros metais.

Cerâmica

Peças de rolamento de cerâmica Si 3 N 4

Os sólidos cerâmicos são compostos de compostos inorgânicos, geralmente óxidos de elementos químicos. [9] Eles são quimicamente inertes e geralmente são capazes de resistir à erosão química que ocorre em um ambiente ácido ou cáustico. A cerâmica geralmente pode suportar altas temperaturas variando de 1000 a 1600 ° C (1800 a 3000 ° F). As exceções incluem materiais inorgânicos não óxidos, como nitretos , boretos e carbonetos .

As matérias-primas cerâmicas tradicionais incluem minerais de argila , como caulinita , os materiais mais recentes incluem óxido de alumínio ( alumina ). Os materiais cerâmicos modernos, que são classificados como cerâmicas avançadas, incluem carboneto de silício e carboneto de tungstênio . Ambos são valorizados por sua resistência à abrasão e, portanto, encontram uso em aplicações como placas de desgaste de equipamentos de britagem em operações de mineração.

A maioria dos materiais cerâmicos, como alumina e seus compostos, são formados a partir de pós finos, produzindo uma microestrutura policristalina de granulação fina que é preenchida com centros de dispersão de luz comparáveis ​​ao comprimento de onda da luz visível . Assim, eles são geralmente materiais opacos, ao contrário de materiais transparentes . A tecnologia recente em nanoescala (por exemplo, sol-gel ) tornou, entretanto, possível a produção de cerâmicas transparentes policristalinas , como alumina transparente e compostos de alumina para aplicações como lasers de alta potência. Cerâmicas avançadas também são usadas nas indústrias de medicina, elétrica e eletrônica.

A engenharia cerâmica é a ciência e a tecnologia para a criação de materiais, peças e dispositivos cerâmicos de estado sólido. Isso é feito pela ação do calor ou, em temperaturas mais baixas, por meio de reações de precipitação de soluções químicas. O termo inclui a purificação de matérias-primas, o estudo e produção dos compostos químicos em questão, sua formação em componentes e o estudo de sua estrutura, composição e propriedades.

Falando mecanicamente, os materiais cerâmicos são quebradiços, duros, fortes na compressão e fracos no cisalhamento e tensão. Os materiais frágeis podem apresentar resistência à tração significativa ao suportar uma carga estática. A tenacidade indica quanta energia um material pode absorver antes da falha mecânica, enquanto a tenacidade à fratura (denotada K Ic ) descreve a capacidade de um material com falhas microestruturais inerentes de resistir à fratura por meio do crescimento e propagação de trincas. Se um material tem um grande valor de tenacidade à fratura , os princípios básicos da mecânica da fraturasugerem que provavelmente sofrerá fratura dúctil. Ruptura frágil é muito característica da maior parte das cerâmicas e vidro-cerâmica materiais que tipicamente apresentam baixos valores (e inconsistentes) de K Ic .

Como exemplo de aplicação da cerâmica, a extrema dureza da zircônia é utilizada na fabricação de lâminas de facas, bem como outras ferramentas de corte industrial. Cerâmicas como alumina , carboneto de boro e carboneto de silício têm sido usadas em coletes à prova de balas para repelir o fogo de rifle de grande calibre. As peças de nitreto de silício são utilizadas em rolamentos de esferas de cerâmica, onde sua alta dureza os torna resistentes ao desgaste. Em geral, as cerâmicas também são quimicamente resistentes e podem ser usadas em ambientes úmidos onde os rolamentos de aço seriam suscetíveis à oxidação (ou ferrugem).

Como outro exemplo de aplicações de cerâmica, no início dos anos 1980, a Toyota pesquisou a produção de um motor de cerâmica adiabática com uma temperatura operacional de mais de 6000 ° F (3300 ° C). Os motores cerâmicos não requerem um sistema de refrigeração e, portanto, permitem uma grande redução de peso e, portanto, maior eficiência de combustível. Em um motor metálico convencional, grande parte da energia liberada do combustível deve ser dissipada como calor residual para evitar o derretimento das partes metálicas. Também se está trabalhando no desenvolvimento de peças cerâmicas para motores de turbina a gás . Os motores de turbina feitos de cerâmica poderiam operar com mais eficiência, dando às aeronaves maior alcance e carga útil para uma determinada quantidade de combustível. Esses motores não estão em produção, entretanto, porque a fabricação de peças de cerâmica com precisão e durabilidade suficientes é difícil e cara. Os métodos de processamento geralmente resultam em uma ampla distribuição de falhas microscópicas que frequentemente desempenham um papel prejudicial no processo de sinterização, resultando na proliferação de rachaduras e falha mecânica final.

Vitrocerâmica

Um cooktop de vitrocerâmica de alta resistência com expansão térmica desprezível .

Os materiais vitrocerâmicos compartilham muitas propriedades com vidros não cristalinos e cerâmicas cristalinas . Eles são formados como um vidro e, em seguida, parcialmente cristalizados por tratamento térmico, produzindo as fases amorfa e cristalina, de modo que os grãos cristalinos são incorporados em uma fase intergranular não cristalina.

Cerâmicas de vidro são usadas para fazer utensílios de cozinha (originalmente conhecidos pela marca CorningWare ) e fogões de mesa que têm alta resistência ao choque térmico e permeabilidade extremamente baixa a líquidos. O coeficiente negativo de expansão térmica da fase cerâmica cristalina pode ser balanceado com o coeficiente positivo da fase vítrea. Em um determinado ponto (~ 70% cristalino), a vitrocerâmica tem um coeficiente líquido de expansão térmica próximo a zero. Este tipo de vitrocerâmica exibe excelentes propriedades mecânicas e pode suportar mudanças de temperatura repetidas e rápidas de até 1000 ° C.

A cerâmica de vidro também pode ocorrer naturalmente quando um raio atinge os grãos cristalinos (por exemplo, quartzo) encontrados na maior parte da areia da praia . Nesse caso, o calor extremo e imediato do relâmpago (~ 2500 ° C) cria estruturas ocas e ramificadas em forma de raiz chamadas fulgurita por fusão .

Sólidos orgânicos

As fibras de polpa de madeira individuais nesta amostra têm cerca de 10 µm de diâmetro.

A química orgânica estuda a estrutura, propriedades, composição, reações e preparação por síntese (ou outros meios) de compostos químicos de carbono e hidrogênio , que podem conter qualquer número de outros elementos, como nitrogênio , oxigênio e halogênios: flúor , cloro , bromo e iodo . Alguns compostos orgânicos também podem conter os elementos fósforo ou enxofre . Exemplos de sólidos orgânicos incluem madeira, cera de parafina , naftaleno e uma grande variedade de polímeros e plásticos.

Madeira

A madeira é um material orgânico natural que consiste principalmente em fibras de celulose incorporadas em uma matriz de lignina . Com relação às propriedades mecânicas, as fibras são fortes sob tensão e a matriz de lignina resiste à compressão. Assim, a madeira tem sido um importante material de construção desde que os humanos começaram a construir abrigos e a usar barcos. A madeira a ser usada para construção é comumente conhecida como madeira serrada ou madeira . Na construção, a madeira não é apenas um material estrutural, mas também é usada para formar o molde de concreto.

Os materiais à base de madeira também são amplamente usados ​​para embalagens (por exemplo, papelão) e papel, que são ambos criados a partir da polpa refinada. Os processos de polpação química usam uma combinação de produtos químicos de alta temperatura e alcalinos (kraft) ou ácidos (sulfito) para quebrar as ligações químicas da lignina antes de queimá-la.

Polímeros

Imagem STM de cadeias supramoleculares automontadas do semicondutor orgânico quinacridona em grafite .

Uma propriedade importante do carbono na química orgânica é que ele pode formar certos compostos, cujas moléculas individuais são capazes de se ligar umas às outras, formando assim uma cadeia ou rede. O processo é chamado de polimerização e as cadeias ou redes são polímeros, enquanto o composto fonte é um monômero. Existem dois grupos principais de polímeros: os fabricados artificialmente são referidos como polímeros industriais ou polímeros sintéticos (plásticos) e os que ocorrem naturalmente como biopolímeros.

Os monômeros podem ter vários substituintes químicos, ou grupos funcionais, que podem afetar as propriedades químicas de compostos orgânicos, como solubilidade e reatividade química, bem como as propriedades físicas, como dureza, densidade, resistência mecânica ou à tração, resistência à abrasão, calor resistência, transparência, cor, etc. Nas proteínas, essas diferenças dão ao polímero a capacidade de adotar uma conformação biologicamente ativa em detrimento de outras (ver automontagem ).

Artigos para o lar em vários tipos de plástico .

As pessoas vêm usando polímeros orgânicos naturais há séculos na forma de ceras e goma - laca , que é classificado como um polímero termoplástico. Um polímero vegetal denominado celulose fornecia a resistência à tração para fibras e cordas naturais e, no início do século 19, a borracha natural era amplamente utilizada. Os polímeros são as matérias-primas (as resinas) usadas para fazer o que é comumente chamado de plásticos. Os plásticos são o produto final, criado após um ou mais polímeros ou aditivos terem sido adicionados a uma resina durante o processamento, que é então moldada em uma forma final. Os polímeros que existem, e que estão em uso amplamente difundido, incluem polietileno à base de carbono , polipropileno , cloreto de polivinila ,poliestireno , nylons, poliésteres , acrílicos , poliuretano e policarbonatos e silicones à base de silício . Os plásticos são geralmente classificados como plásticos de "commodities", "especialidades" e "de engenharia".

Os materiais compósitos

Simulação da parte externa do ônibus espacial enquanto ele aquece até mais de 1500 ° C durante a reentrada
Um pano de filamentos de fibra de carbono , um elemento comum em materiais compostos

Os materiais compostos contêm duas ou mais fases macroscópicas, uma das quais geralmente é cerâmica. Por exemplo, uma matriz contínua e uma fase dispersa de partículas ou fibras cerâmicas.

As aplicações de materiais compostos variam de elementos estruturais, como concreto reforçado com aço, a telhas termicamente isolantes que desempenham um papel fundamental e integral no sistema de proteção térmica do ônibus espacial da NASA , que é usado para proteger a superfície do ônibus espacial do calor do fogo -entrada na atmosfera da Terra. Um exemplo é o carbono reforçado (RCC), o material cinza claro que resiste a temperaturas de reentrada de até 1510 ° C (2750 ° F) e protege a tampa do nariz e as bordas de ataque das asas do ônibus espacial. RCC é um material compósito laminado feito de tecido de raiom de grafite e impregnado com uma resina fenólica. Após a cura em alta temperatura em uma autoclave, o laminado é pirolisado para converter a resina em carbono, impregnado com álcool furfural em uma câmara de vácuo e curado / pirolisado para converter o álcool furfural em carbono. A fim de fornecer resistência à oxidação para capacidade de reutilização, as camadas externas do RCC são convertidas em carboneto de silício.

Exemplos domésticos de compósitos podem ser vistos nas caixas de "plástico" de aparelhos de televisão, telefones celulares e assim por diante. Esses invólucros de plástico são geralmente um composto feito de uma matriz termoplástica, como acrilonitrila butadieno estireno (ABS), na qual giz de carbonato de cálcio , talco , fibras de vidro ou fibras de carbono foram adicionados para resistência, volume ou dispersão eletrostática. Essas adições podem ser referidas como fibras de reforço ou dispersantes, dependendo de sua finalidade.

Assim, o material da matriz envolve e apóia os materiais de reforço, mantendo suas posições relativas. Os reforços transmitem suas propriedades mecânicas e físicas especiais para melhorar as propriedades da matriz. Um sinergismo produz propriedades de materiais indisponíveis a partir dos materiais constituintes individuais, enquanto a ampla variedade de materiais de matriz e reforço fornece ao projetista a escolha de uma combinação ideal.

Semiconductors

Chip semicondutor em substrato de silício cristalino.

Semicondutores são materiais que possuem uma resistividade elétrica (e condutividade) entre a dos condutores metálicos e os isolantes não metálicos. Eles podem ser encontrados na tabela periódica movendo-se diagonalmente para baixo à direita do boro . Eles separam os condutores elétricos (ou metais, à esquerda) dos isoladores (à direita).

Dispositivos feitos de materiais semicondutores são a base da eletrônica moderna, incluindo rádio, computadores, telefones, etc. Dispositivos semicondutores incluem o transistor , células solares , diodos e circuitos integrados . Painéis solares fotovoltaicos são grandes dispositivos semicondutores que convertem diretamente a luz em energia elétrica.

Em um condutor metálico, a corrente é transportada pelo fluxo de elétrons ", mas em semicondutores, a corrente pode ser transportada por elétrons ou por" buracos "carregados positivamente na estrutura de banda eletrônica do material. Materiais semicondutores comuns incluem silício, germânio e arsenieto de gálio .

Nanomateriais

Silício a granel (esquerda) e nanopó de silício (direita)

Muitos sólidos tradicionais exibem propriedades diferentes quando encolhem para tamanhos nanométricos. Por exemplo, nanopartículas de ouro geralmente amarelo e silício cinza são de cor vermelha; as nanopartículas de ouro fundem a temperaturas muito mais baixas (~ 300 ° C para o tamanho de 2,5 nm) do que as placas de ouro (1064 ° C); [10] e os nanofios metálicos são muito mais fortes do que os metais a granel correspondentes. [11] [12] A alta área de superfície das nanopartículas torna-as extremamente atraentes para certas aplicações no campo da energia. Por exemplo, metais de platina podem fornecer melhorias como catalisadores de combustível automotivo , bem como células de combustível de membrana de troca de prótons (PEM). Além disso, óxidos cerâmicos (ou cermets) de lantânio ,cério , manganês e níquel estão agora sendo desenvolvidos como células a combustível de óxido sólido (SOFC). Nanopartículas de lítio, titanato de lítio e tântalo estão sendo aplicadas em baterias de íon de lítio. Foi demonstrado que as nanopartículas de silício expandem drasticamente a capacidade de armazenamento das baterias de íon de lítio durante o ciclo de expansão / contração. Os nanofios de silício têm um ciclo sem degradação significativa e apresentam potencial para uso em baterias com tempos de armazenamento bastante expandidos. Nanopartículas de silício também estão sendo usadas em novas formas de células de energia solar. Deposição de filme fino de pontos quânticos de silíciono substrato de silício policristalino de uma célula fotovoltaica (solar) aumenta a saída de voltagem em até 60% por fluorescência da luz de entrada antes da captura. Aqui, novamente, a área de superfície das nanopartículas (e filmes finos) desempenha um papel crítico na maximização da quantidade de radiação absorvida.

Biomaterials

Fibras de colágeno de osso tecido

Muitos materiais naturais (ou biológicos) são compostos complexos com propriedades mecânicas notáveis. Essas estruturas complexas, que surgiram de centenas de milhões de anos de evolução, estão inspirando cientistas de materiais no design de novos materiais. Suas características definidoras incluem hierarquia estrutural, multifuncionalidade e capacidade de autocura. A auto-organização também é uma característica fundamental de muitos materiais biológicos e da maneira pela qual as estruturas são montadas a partir do nível molecular. Assim, a automontagem surge como uma nova estratégia na síntese química de biomateriais de alto desempenho.

Propriedades físicas

As propriedades físicas dos elementos e compostos que fornecem evidências conclusivas da composição química incluem odor, cor, volume, densidade (massa por unidade de volume), ponto de fusão, ponto de ebulição, capacidade de calor, forma física e forma em temperatura ambiente (sólido, líquido ou gás ; cristais cúbicos, trigonais, etc.), dureza, porosidade, índice de refração e muitos outros. Esta seção discute algumas propriedades físicas dos materiais no estado sólido.

Mecânica

Formação rochosa de granito na Patagônia chilena . Como a maioria dos minerais inorgânicos formados por oxidação na atmosfera terrestre, o granito consiste principalmente de sílica cristalina SiO 2 e alumina Al 2 O 3 .

As propriedades mecânicas dos materiais descrevem características como sua força e resistência à deformação. Por exemplo, vigas de aço são usadas na construção por causa de sua alta resistência, o que significa que não quebram nem dobram significativamente sob a carga aplicada.

As propriedades mecânicas incluem a elasticidade e plasticidade , resistência à tracção , resistência à compressão , resistência ao corte , resistência à fractura , a ductilidade (baixo em materiais quebradiços), e de dureza . A mecânica dos sólidos é o estudo do comportamento da matéria sólida sob ações externas, como forças externas e mudanças de temperatura.

Um sólido não exibe fluxo macroscópico, como os fluidos. Qualquer grau de desvio de sua forma original é chamado de deformação . A proporção da deformação em relação ao tamanho original é chamada de tensão. Se a tensão aplicada for suficientemente baixa, quase todos os materiais sólidos se comportam de forma que a deformação seja diretamente proporcional à tensão ( lei de Hooke ). O coeficiente da proporção é denominado módulo de elasticidade ou módulo de Young . Esta região de deformação é conhecida como região linearmente elástica . Três modelos podem descrever como um sólido responde a uma tensão aplicada:

  • Elasticidade - Quando uma tensão aplicada é removida, o material retorna ao seu estado não deformado.
  • Viscoelasticidade - São materiais que se comportam de forma elástica, mas também possuem amortecimento . Quando a tensão aplicada é removida, o trabalho deve ser feito contra os efeitos de amortecimento e é convertido em calor dentro do material. Isso resulta em um loop de histerese na curva de tensão-deformação. Isso implica que a resposta mecânica depende do tempo.
  • Plasticidade - materiais que se comportam elasticamente geralmente o fazem quando a tensão aplicada é menor que um valor de escoamento. Quando a tensão é maior que a tensão de escoamento, o material se comporta plasticamente e não retorna ao seu estado anterior. Ou seja, a deformação plástica irreversível (ou fluxo viscoso) ocorre após o escoamento que é permanente.

Muitos materiais tornam-se mais fracos em altas temperaturas. Materiais que retêm sua resistência em altas temperaturas, chamados de materiais refratários , são úteis para muitos propósitos. Por exemplo, as vitrocerâmicas tornaram-se extremamente úteis para cozinhar em bancada, pois exibem excelentes propriedades mecânicas e podem suportar mudanças de temperatura repetidas e rápidas de até 1000 ° C. Na indústria aeroespacial, os materiais de alto desempenho usados ​​no projeto de exteriores de aeronaves e / ou espaçonaves devem ter uma alta resistência ao choque térmico. Assim, as fibras sintéticas fiadas a partir de polímeros orgânicos e materiais compostos de polímero / cerâmica / metal e polímeros reforçados com fibras estão agora sendo projetadas com esse propósito em mente.

Térmica

Como os sólidos têm energia térmica , seus átomos vibram em torno de posições médias fixas dentro da rede ordenada (ou desordenada). O espectro de vibrações da rede em uma rede cristalina ou vítrea fornece a base para a teoria cinética dos sólidos . Esse movimento ocorre em nível atômico e, portanto, não pode ser observado ou detectado sem um equipamento altamente especializado, como o usado em espectroscopia .

As propriedades térmicas dos sólidos incluem a condutividade térmica , que é a propriedade de um material que indica sua capacidade de conduzir calor . Os sólidos também têm uma capacidade de calor específica , que é a capacidade de um material de armazenar energia na forma de calor (ou vibrações de rede térmica).

Elétrica

Vídeo de levitação supercondutora de YBCO

As propriedades elétricas incluem condutividade , resistência, impedância e capacitância . Condutores elétricos, como metais e ligas, são contrastados com isoladores elétricos, como vidros e cerâmicas. Os semicondutores se comportam em algum ponto intermediário. Enquanto a condutividade dos metais é causada pelos elétrons, tanto os elétrons quanto os buracos contribuem para a corrente nos semicondutores. Alternativamente, os íons suportam corrente elétrica em condutores iônicos .

Muitos materiais também exibem supercondutividade em baixas temperaturas; eles incluem elementos metálicos como estanho e alumínio, várias ligas metálicas, alguns semicondutores fortemente dopados e certas cerâmicas. A resistividade elétrica da maioria dos condutores elétricos (metálicos) geralmente diminui gradualmente à medida que a temperatura diminui, mas permanece finita. Em um supercondutor, entretanto, a resistência cai abruptamente para zero quando o material é resfriado abaixo de sua temperatura crítica. Uma corrente elétrica fluindo em um loop de fio supercondutor pode persistir indefinidamente sem fonte de energia.

Um dielétrico , ou isolante elétrico, é uma substância altamente resistente ao fluxo de corrente elétrica. Um dielétrico, como o plástico, tende a concentrar em si mesmo um campo elétrico aplicado, propriedade essa que é usada em capacitores. Um capacitor é um dispositivo elétrico que pode armazenar energia no campo elétrico entre um par de condutores próximos (chamados de 'placas'). Quando a tensão é aplicada ao capacitor, cargas elétricas de igual magnitude, mas polaridade oposta, se acumulam em cada placa. Capacitores são usados ​​em circuitos elétricos como dispositivos de armazenamento de energia, bem como em filtros eletrônicos para diferenciar entre sinais de alta e baixa frequência.

Electro-mecânicos

A piezoeletricidade é a capacidade dos cristais de gerar uma voltagem em resposta a um estresse mecânico aplicado. O efeito piezoelétrico é reversível em que os cristais piezoelétricos, quando submetidos a uma voltagem aplicada externamente, podem mudar de forma em uma pequena quantidade. Materiais poliméricos como borracha, lã, cabelo, fibra de madeira e seda costumam se comportar como eletretos . Por exemplo, o polímero de fluoreto de polivinilideno (PVDF) exibe uma resposta piezoelétrica várias vezes maior do que o quartzo de material piezoelétrico tradicional (SiO 2 cristalino ). A deformação (~ 0,1%) se presta a aplicações técnicas úteis, como fontes de alta tensão, alto-falantes, lasers, bem como sensores e / ou transdutores químicos, biológicos e acústico-ópticos.

Ótico

Os materiais podem transmitir (por exemplo, vidro) ou refletir (por exemplo, metais) luz visível.

Os materiais geralmente se enquadram em três categorias: Transparente, Translúcido ou Opaco.

Materiais transparentes Permitem que os raios de luz passem completamente por eles. Exemplos - Água Pura, Vidro Limpo. Materiais translúcidos permitem que os raios de luz passem parcialmente por eles. Exemplos - Água impura, óleo, janela contaminada. Os materiais opacos não permitem a passagem de luz. Exemplos- Madeira, Ferro, Plástico.

Muitos materiais transmitem alguns comprimentos de onda enquanto bloqueiam outros. Por exemplo, o vidro da janela é transparente para a luz visível , mas muito menos para a maioria das frequências de luz ultravioleta que causam queimaduras solares . Esta propriedade é usada para filtros ópticos seletivos de frequência, que podem alterar a cor da luz incidente.

Para alguns fins, as propriedades ópticas e mecânicas de um material podem ser de interesse. Por exemplo, os sensores em um míssil infravermelho ("busca de calor") devem ser protegidos por uma tampa transparente à radiação infravermelha . O material atualmente escolhido para cúpulas de mísseis guiados por infravermelho de alta velocidade é a safira de cristal único. A transmissão óptica da safira não se estende realmente para cobrir toda a faixa do infravermelho médio (3–5 µm), mas começa a cair em comprimentos de onda maiores que aproximadamente 4,5 µm em temperatura ambiente. Embora a resistência da safira seja melhor do que a de outros materiais de domo infravermelho de faixa média disponíveis em temperatura ambiente, ela enfraquece acima de 600 ° C. Existe uma compensação de longa data entre o passa-banda ótico e a durabilidade mecânica; novos materiais, como cerâmicas transparentes ou nanocompósitos ópticos, podem fornecer desempenho aprimorado.

A transmissão guiada por ondas de luz envolve o campo das fibras ópticas e a capacidade de certos vidros de transmitir, simultaneamente e com baixa perda de intensidade, uma faixa de frequências (guias de ondas ópticas multimodo) com pouca interferência entre eles. Os guias de onda ópticos são usados ​​como componentes em circuitos ópticos integrados ou como meio de transmissão em sistemas de comunicação óptica.

Opto-eletrônica

Uma célula solar ou célula fotovoltaica é um dispositivo que converte a energia da luz em energia elétrica. Fundamentalmente, o dispositivo precisa cumprir apenas duas funções: foto-geração de portadores de carga (elétrons e buracos) em um material que absorve luz e separação dos portadores de carga para um contato condutor que irá transmitir a eletricidade (simplificando, carregando elétrons através de um contato de metal em um circuito externo). Essa conversão é chamada de efeito fotoelétrico , e o campo de pesquisa relacionado às células solares é conhecido como fotovoltaico.

As células solares têm muitas aplicações. Eles têm sido usados ​​há muito tempo em situações onde a energia elétrica da rede não está disponível, como em sistemas de energia em áreas remotas, satélites em órbita terrestre e sondas espaciais, calculadoras portáteis, relógios de pulso, radiotelefones remotos e aplicações de bombeamento de água. Mais recentemente, começam a ser utilizados na montagem de módulos solares (matrizes fotovoltaicas) ligados à rede elétrica através de um inversor, que não deve funcionar como fonte única, mas como fonte adicional de eletricidade.

Todas as células solares requerem um material absorvente de luz contido na estrutura da célula para absorver fótons e gerar elétrons por meio do efeito fotovoltaico . Os materiais usados ​​nas células solares tendem a ter a propriedade de absorver preferencialmente os comprimentos de onda da luz solar que atingem a superfície terrestre. Algumas células solares também são otimizadas para absorção de luz além da atmosfera terrestre.

Referências

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Ligações externas

Transições de fase da matéria ()
Para
A partir de
Sólido Líquido Gás Plasma
Sólido Derretendo Sublimação
Líquido Congelando Vaporização
Gás Deposição Condensação Ionizacao
Plasma Recombinação