[EXPLICANDO A MATÉRIA] Defeitos em Sólidos Cristalinos

[EXPLICANDO A MATÉRIA]


      No Explicando A Matéria de hoje, abordaremos os defeitos em sólidos cristalinos, assunto muito importante pois as propriedades de alguns materiais são profundamente influenciadas pela presença de defeitos e, além disso, nenhum material está isento da existência de imperfeições.

      Defeitos cristalinos podem ser definidos como irregularidades na rede cristalina com uma ou mais das dimensões na ordem do diâmetro atômico. Os defeitos pontuais são aqueles associados a uma ou duas posições atômicas e podem se apresentar na forma de lacuna e autointersticiais ou impurezas.

      Lacunas são sítios vagos na rede cristalina em lugares que normalmente seriam ocupados por átomos. Sua existência pode ser explicada utilizando a termodinâmica, uma vez que a presença de lacunas aumenta a aleatoriedade (ou seja, a entropia) do cristal. O número de lacunas em equilíbrio é função da temperatura do material, de forma que o aumento da temperatura leva também a um aumento do número de lacunas.

      De forma contrária às lacunas, pode-se ter também na estrutura cristalina átomos em lugares que normalmente não seriam ocupados. Esse é o caso dos autointersticiais, átomos comprimidos em sítios intersticiais que introduzem distorções na vizinhança da rede cristalina, pois o átomo é substancialmente maior do que o interstício onde está localizado. Esse tipo de defeito pontual é muito menos comum do que as lacunas e existe em concentrações muito reduzidas.

      Para o caso de cristais iônicos, os defeitos pontuais podem ser do tipo Frenkel ou do tipo Shottky. O defeito de Frenkel consiste em um par de lacuna na posição em que um cátion deveria estar com um cátion intersticial, ou seja, pode-se assumir que o cátion “saiu” de sua posição na rede e passou a ser um intersticial. Já o defeito de Shottky é composto por uma lacuna aniônica e uma lacuna catiônica, ou seja, a estrutura cristalina possui duas posições vazias, uma na qual um cátion deveria estar posicionado, e outra, um ânion.

      As impurezas estão presentes em todos os materiais e, em muitos casos, átomos de impurezas podem ser adicionados intencionalmente a fim de obter determinada propriedade, formando ligas. Soluções sólidas são formadas quando, mesmo com a adição dessas impurezas, a estrutura cristalina original é mantida. Quando esses novos átomos ocupam interstícios a solução sólida é chamada intersticial, e quando as impurezas substituem a posição dos átomos hospedeiros é formada uma solução sólida substitucional.

      Existem também defeitos lineares, ou unidimensionais, e os exemplos típicos para esse tipo de imperfeição são as discordâncias. Nelas, alguns átomos estão desalinhados e podem tanto formar semiplanos adicionais de átomos dentro da estrutura cristalina (discordância aresta) quanto induzir uma distorção atômica por conta de tensões cisalhantes (discordância espiral). Na prática, a maioria das discordâncias encontradas nos materiais cristalinos possuem componentes de ambos os tipos e são chamadas de discordâncias mistas. A magnitude e direção da distorção da rede associada a uma discordância são expressas pelo chamado vetor de Burgers.

       Para fechar, pode-se citar os defeitos interfaciais, que são bidimensionais e normalmente separam regiões do material que possuem estruturas cristalinas e/ou orientações cristalográficas diferentes. Essas imperfeições incluem as superfícies externas, os contornos de grão, os contornos de fases, os contornos de maclas e as falhas de empilhamento.


Fonte: CALLISTER, W. D., Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução. John Wiley & Sons, Inc., 2002.