Explicando A Matéria: Propriedades Ópticas

        Olá, pessoal! No último Explicando A Matéria do ano de 2020, gostaríamos de fechar o bloco acerca dos grupos de propriedades dos materiais e, para isso, trazemos o último conjunto de propriedades: as propriedades ópticas. Quando nos referimos a propriedades ópticas, entende-se que se trata da resposta de um material à exposição a radiação eletromagnética e, em especial, à luz visível, e isso, por sua vez, irá depender da forma com que o material interage com a luz.
        Quando a luz passa de um meio para o outro, uma parcela da radiação pode ser transmitida, uma parcela será absorvida e outra será refletida na interface entre os dois meios, de modo que a intensidade total de radiação corresponde à soma das intensidades absorvida, transmitida e refletida.
        Quando radiação incidente atinge um material, esta irá interagir com os átomos e com as nuvens eletrônicas de duas formas principais: a primeira consiste em causar polarização eletrônica, que resulta da interação das nuvens eletrônicas dos átomos com a componente de campo elétrico da radiação, e pode envolver a absorção de parcela da radiação; a segunda forma consiste em causar transições eletrônicas, de forma que fótons de energia advindos da radiação incidente podem ser absorvidos por átomos do material, causando a excitação de elétrons, que, quando decaem de volta ao seu estado fundamental, causam a emissão de comprimentos de onda específicos. Esses fenômenos estão diretamente correlacionados com a ocorrência de refração, absorção, reflexão e transmissão .
        Quando um material é capaz de transmitir luz com absorção e reflexão pequenas, dizemos que o material é transparente. Quando a luz é transmitida de forma difusa através do material, de forma que ela é dispersa em seu interior e objetos não podem ser distinguidos com clareza através dele, dizemos que o material é translúcido; e quando o material é impermeável à transmissão de luz visível, ou seja, não transmite luz visível, temos um material opaco. Esse tipo de comportamento depende diretamente da estrutura de bandas de energia do material em questão, uma vez que esta se relaciona à absorção de energia que o material é capaz de realizar, e justifica o porquê de termos comportamentos distintos entre classes de materiais diferentes.
        No caso de materiais metálicos, temos que estes são opacos, uma vez que apresentam uma estrutura de bandas de energia caracterizada por vários níveis de energia vazios em sua banda de valência, de forma que diversos comprimentos de onda relacionados à faixa de luz visível são capazes de causar a excitação de elétrons, e, portanto, podem ser absorvidos. Após a excitação, quando os elétrons retornam ao seu estado fundamental, temos que a maior parte da radiação é reemitida aparecendo como luz refletida, e estes comprimentos de onda emitidos que definem a cor do material Assim, metais são opacos e altamente refletivos.
        No caso de materiais não metálicos e de semicondutores, que apresentam a banda de valência completamente preenchida e um GAP entre esta e a banda de condução, temos que apenas energias especificas são possíveis de serem absorvidas para causar a excitação dos elétrons. Portanto, esse tipo de material pode absorver faixas especificas de comprimento de onda e é transparente a outras faixas, que correspondem a energias incapazes de causar excitação de elétrons ou polarização. Caso a energia de GAP seja alta o suficiente para que luz visível não seja absorvida, o material será transparente; caso seja baixa o suficiente para que ocorra absorção total de luz visível, temos um material opção; sendo intermediária, de forma que apenas faixas do espectro de luz visível sejam absorvidos, teremos um material colorido, cuja cor será definida pela combinação dos comprimentos de onda refletidos ou transmitidos.
        Por fim, no caso de materiais isolantes, temos que estes geralmente são transparentes, já que o GAP de energia é muito grande e a energia relacionada à luz visível é insuficiente para ser absorvida. Porém, podem se tornar translúcidos ou até opacos devido a características internas que causam o espalhamento da luz, como o caso da policristalinidade, porosidade e a presença de segundas fases. Caso a dispersão seja muito grande, teremos um material opaco.

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