Sólido é um estado físico da matéria em que átomos, moléculas ou íons ficam próximos uns dos outros e têm dificuldade de se deslocar entre si. Os sólidos resistem à compressão, à expansão e a forças externas que alterariam sua forma, em grau que depende do material. Em geral, a formação da fase sólida é favorecida pelo resfriamento. Muitas substâncias se solidificam quando são resfriadas sob condições adequadas de temperatura e pressão. Para uma substância pura, a temperatura de equilíbrio entre as fases sólida e líquida numa pressão especificada é o ponto de fusão. Em amostras macroscópicas, ela não depende da quantidade de material, mas varia com a pressão. Muitas substâncias no estado sólido adotam estruturas cristalinas recorrentes.
Os sólidos têm rigidez estrutural e resistem a forças e pressões externas. Em condições ordinárias, conservam forma e volume próprios, sem assumir espontaneamente a forma do recipiente como um líquido ou ocupar todo o volume disponível como um gás. Uma diferença mecânica entre sólidos e fluidos está na resposta à tensão de cisalhamento. No regime elástico, um sólido pode sustentar uma tensão de cisalhamento estática com deformação finita, enquanto líquidos e gases continuam a se deformar quando esse tipo de tensão é mantido.
Os sólidos geralmente se expandem quando aquecidos. Em materiais comuns, essa expansão decorre da forma não harmônica do potencial de ligação entre as partículas, que aumenta sua separação média à medida que a temperatura sobe. Ao cruzar uma linha de equilíbrio adequada num diagrama de fase, um sólido pode fundir-se em líquido ou sublimar diretamente para o estado gasoso. Abaixo da pressão do ponto triplo sólido-líquido-vapor de uma substância pura, a fase líquida não é estável em equilíbrio. Nessas condições, a transição entre sólido e gás ocorre por sublimação ou deposição. Acima dessa pressão, uma região de estabilidade líquida pode existir entre as fases sólida e gasosa. Fusão e ponto de fusão referem-se à transição entre sólido e líquido. As transições inversas são a solidificação, do líquido para o sólido, e a deposição, do gás diretamente para o sólido. Em equações químicas, "(s)" após uma fórmula indica que a substância está no estado sólido, como em H2O(s).
Diagrama de fases da água, com as regiões em que as fases sólida, líquida e gasosa são estáveis.
As temperaturas nas linhas de fusão abrangem um intervalo muito amplo. A curva de fusão do hélio-3 sob pressão foi medida experimentalmente até 17 mK. No outro extremo, cálculos para determinadas composições de carbonitreto de háfnio preveem temperaturas de fusão superiores a 4.000 K. Temperaturas superiores a 4.000 K também foram medidas em ensaios de fusão de carbetos de háfnio e tântalo.
A organização microscópica dos sólidos assume formas diferentes. Em muitos sólidos cristalinos, os constituintes ocupam posições que se repetem segundo retículos geométricos periódicos. Nos sólidos amorfos, como muitos vidros e plásticos, não existe ordem cristalina de longo alcance. Há ainda estruturas ordenadas que não são periódicas. Os quase-cristais possuem ordem atômica aperiódica e podem apresentar simetrias incompatíveis com um retículo periódico.
Moléculas e átomos que formam cristais periódicos costumam se organizar em estruturas de empacotamento bem caracterizadas, como a estrutura cúbica de corpo centrado. A estrutura adotada pode mudar com a pressão e a temperatura, como mostram os diagramas de fase do material. Um elemento pode existir em formas estruturais distintas, chamadas alótropos, como diamante e grafite no carbono. A existência de estruturas cristalinas diferentes para uma mesma composição química recebe o nome de polimorfismo. Calcita e aragonita, por exemplo, são polimorfos do carbonato de cálcio.
Sólidos não porosos apresentam compressibilidade pequena em condições ordinárias. Quando os átomos ou íons são aproximados além de suas separações de equilíbrio, a sobreposição das funções de onda eletrônicas produz uma forte repulsão de curto alcance associada ao princípio de exclusão de Pauli, além das interações eletrostáticas pertinentes ao material. Gases, em comparação, são muito mais compressíveis, pois suas moléculas ficam separadas por distâncias maiores. Alguns sólidos, sobretudo ligas metálicas, podem sofrer deformação permanente ou se romper quando submetidos a forças suficientes. Os módulos elásticos, entre eles o módulo de Young, medem a rigidez do material. A resistência à tração caracteriza a tensão que ele suporta antes da ruptura, enquanto a resistência específica é a razão entre uma medida de resistência mecânica e a densidade.
Para a maioria das substâncias, a fase sólida é mais densa que a fase líquida correspondente nas proximidades da fusão, e um pedaço do sólido tende a afundar no próprio líquido. A água é uma exceção. No gelo comum, as ligações de hidrogênio mantêm as moléculas numa estrutura aberta, com maior separação média que na água líquida, o que reduz sua densidade. O gálio também se expande ao solidificar. Perto do ponto de fusão, sua densidade passa de cerca de 6,095 g/cm³ no líquido para 5,904 g/cm³ no sólido. O plutônio possui seis fases sólidas à pressão atmosférica, e suas fases de alta temperatura apresentam comportamento volumétrico incomum. O metal líquido é mais denso que a fase sólida imediatamente anterior à fusão.
Nem todos os elementos apresentam uma transição sólido-líquido à pressão atmosférica padrão, de 101,325 kPa. Hélio e carbono não possuem ponto de fusão nessa pressão. O hélio permanece líquido mesmo no limite de temperatura zero à pressão atmosférica, pois seu movimento quântico de ponto zero impede a solidificação nessas condições. É necessário aplicar pressão para obter hélio sólido. O arsênio sublima a cerca de 887 K à pressão atmosférica padrão. O valor de aproximadamente 1.090 K às vezes citado como seu ponto de fusão corresponde ao ponto triplo, sob pressão de cerca de 3,75 MPa. Para o grafite, foram obtidas estimativas de temperatura de sublimação entre aproximadamente 3.895 e 4.020 K à pressão atmosférica.
Quando uma tensão aplicada permanece dentro da região elástica do material e depois é retirada, o sólido tende a recuperar sua forma e suas dimensões e libera a energia elástica armazenada. Pressões elevadas também podem se desenvolver quando a água congela dentro de um recipiente rígido. Sob pressão atmosférica, a formação de gelo aumenta o volume ocupado pela água, pois o gelo é menos denso que o líquido. Se o recipiente impede a expansão, a formação de gelo eleva a pressão interna e modifica o equilíbrio entre as fases. O volume total permanece praticamente constante enquanto o recipiente não se deforma ou rompe. A pressão pode se tornar suficiente para romper o recipiente.
As propriedades macroscópicas também dependem de o sólido formar um corpo contíguo ou um agregado de partículas. Corpos sólidos contíguos têm rigidez estrutural e resistem a forças aplicadas. O corpo rígido é uma idealização em que essas deformações são desprezadas. Em agregados como cascalho, areia e poeira da superfície lunar, as partículas sólidas podem deslizar umas sobre as outras, embora a deformação das partículas individuais, como os grãos de quartzo da areia, continue dificultada. O conjunto pode, por isso, parecer macio e compressível. A areia costeira e o regolito lunar são exemplos.
Modelo de átomos compactados em um sólido cristalino
Os átomos, moléculas ou íons que formam os sólidos podem se organizar em padrões periódicos, apresentar ordem aperiódica ou não ter ordem cristalina de longo alcance. Materiais cujos constituintes formam uma estrutura cristalina são chamados cristais. Em alguns casos, a ordenação permanece sem interrupção por toda a amostra. Um diamante individual pode, por exemplo, constituir um monocristal. Muitos objetos sólidos macroscópicos contêm cristais individuais, chamados cristalitos, cujo tamanho pode variar de poucos nanômetros a dimensões macroscópicas. Esses materiais são policristalinos. Quase todos os metais comuns e muitas cerâmicas são policristalinos.
Representação de uma forma vítrea com rede desordenada de silício e oxigênio.
Retículo cristalino ordenado com a mesma composição química.
Nos sólidos amorfos não há ordem cristalina de longo alcance nas posições dos átomos. Entre os exemplos estão o poliestireno e o vidro. Vidros e polímeros termoplásticos amorfos amolecem numa faixa de temperaturas, em vez de apresentar a fusão abrupta de um cristal puro em equilíbrio.
Os quase-cristais formam outra classe de estruturas sólidas. Seus constituintes apresentam ordem, mas o padrão não se repete periodicamente por translação. A descoberta experimental dessas estruturas por Dan Shechtman levou à revisão da definição cristalográfica de cristal. Shechtman recebeu o Nobel de Química de 2011 pela descoberta dos quase-cristais.
A formação de um sólido cristalino ou amorfo depende do material e das condições em que ele se forma. Sólidos produzidos por resfriamento lento tendem a ter mais tempo para cristalizar, enquanto o resfriamento rápido pode impedir a organização de longo alcance e favorecer estruturas amorfas. A estrutura cristalina adotada por uma fase cristalina também depende da composição, da pressão, da temperatura e das condições de formação.
Embora muitos objetos comuns, como um cubo de gelo ou uma moeda, tenham composição aproximadamente uniforme em escala macroscópica, outros reúnem substâncias diferentes. Uma rocha, por exemplo, pode ser um agregado de minerais e mineraloides e não precisa ter uma fórmula química única. A madeira é um material orgânico natural constituído principalmente por celulose, hemiceluloses e lignina. Na ciência dos materiais, compósitos formados por mais de um material podem ser projetados para adquirir propriedades escolhidas.
Uma classificação dos sólidos cristalinos considera as partículas que os compõem e a interação predominante que mantém a estrutura. Nessa classificação, distinguem-se sólidos iônicos, metálicos, moleculares e de rede covalente. As categorias não exigem que todas as interações de um material pertençam a um único tipo.
As forças entre os constituintes de um sólido assumem formas diferentes. Um cristal de cloreto de sódio, o sal de cozinha, é constituído por íons de sódio e íons cloreto, mantidos juntos por ligações iônicas. No diamante, e no silício, os átomos compartilham elétrons e formam redes de ligações covalentes. Nos metais, a coesão envolve ligação metálica. Sólidos moleculares são formados por moléculas neutras mantidas juntas por forças intermoleculares. O gelo é um sólido molecular no qual as ligações de hidrogênio mantêm a estrutura. Outros sólidos moleculares podem ser mantidos principalmente por forças de Van der Waals. As diferenças entre essas interações produzem diferenças nas propriedades dos sólidos.
O pináculo do Chrysler Building, em Nova Iorque, é revestido de aço inoxidável.
Os metais costumam ser resistentes, densos e bons condutores de eletricidade e calor. A maior parte dos elementos da tabela periódica, à esquerda de uma linha diagonal traçada aproximadamente do boro ao polônio, é formada por metais. Misturas de dois ou mais elementos em que o componente principal é metálico são chamadas ligas.
Os seres humanos usam metais para muitos fins desde a pré-história. A resistência dos metais permite seu uso na construção de edifícios e outras estruturas, na maioria dos veículos, em eletrodomésticos e ferramentas, tubulações, sinalização viária e trilhos ferroviários. Ferro e alumínio são dois dos metais estruturais de uso mais amplo. Também são os metais mais abundantes da crosta terrestre. O ferro é empregado principalmente na forma de aço, uma liga que pode conter até cerca de 2,1% de carbono.
A boa condutividade elétrica permite o uso de metais em aparelhos elétricos e no transporte de corrente elétrica por longas distâncias. Redes de energia usam cabos metálicos para distribuir eletricidade. Instalações elétricas domésticas utilizam cobre pela combinação de condutividade e facilidade de trabalho. A alta condutividade térmica de muitos metais também favorece seu emprego em utensílios de cozinha.
O estudo dos elementos metálicos e de suas ligas integra a química do estado sólido, a física do estado sólido, a ciência dos materiais, a metalurgia e áreas da engenharia.
Sólidos metálicos são mantidos unidos por elétrons compartilhados e deslocalizados, na ligação metálica. Em uma descrição simples, os átomos contribuem com seus elétrons de valência para estados que se estendem pelo sólido, enquanto os íons positivos interagem com essa distribuição eletrônica. O grande número de portadores móveis contribui para a condutividade elétrica e térmica dos metais. A interação desses elétrons com a radiação visível também está ligada à opacidade e ao lustre metálicos.
Modelos mais detalhados das propriedades dos metais consideram o efeito dos núcleos iônicos positivos sobre os elétrons deslocalizados. Como muitos metais têm estrutura cristalina, os íons costumam formar um retículo periódico. O potencial exercido pelos núcleos pode ser tratado por diferentes aproximações. O modelo do elétron quase livre é uma delas e amplia o modelo do elétron livre ao incluir o efeito periódico do retículo.
Minerais são sólidos naturais formados por processos geológicos. Na definição mineralógica tradicional, uma substância mineral tem uma estrutura cristalina e propriedades físicas características. Sua composição vai de elementos nativos e sais simples a silicatos de composição mais elaborada. Uma rocha, em comparação, costuma ser um agregado de minerais ou mineraloides e não precisa ter composição química única. Entre os minerais encontrados nas rochas da crosta terrestre estão quartzo, feldspatos, micas, cloritas, caulinita, calcita, epídoto, olivina, augita, horneblenda, magnetita e hematita. Também ocorrem misturas minerais, como a limonite. Alguns minerais, como quartzo, mica e feldspato, ocorrem com frequência, enquanto outros são restritos a poucos locais. O maior grupo mineralógico é o dos silicatos, formados principalmente por silício e oxigênio, com elementos como alumínio, magnésio, ferro e cálcio.
Sólidos cerâmicos são materiais inorgânicos e não metálicos, frequentemente formados por óxidos, silicatos, nitretos, boretos, carbetos ou combinações desses compostos. Muitos são quimicamente resistentes e suportam ambientes em que outros materiais sofrem corrosão. Cerâmicas refratárias podem suportar temperaturas elevadas, embora os limites dependam da composição e da estrutura.
As matérias-primas cerâmicas tradicionais incluem minerais de argila, como a caulinita. Outros materiais incluem o óxido de alumínio, ou alumina. Entre as cerâmicas avançadas estão carbeto de silício e carbeto de tungstênio, usados em aplicações que aproveitam sua resistência à abrasão, como placas de desgaste em equipamentos de britagem.
Muitos materiais cerâmicos, como alumina e seus compostos, são formados a partir de pós finos e produzem uma microestruturapolicristalina. Poros, fases secundárias e diferenças de índice de refração entre grãos podem espalhar a luz e tornar o material opaco. O controle da pureza, da porosidade e da microestrutura permite produzir cerâmicas transparentes, usadas em aplicações ópticas e em lasers. Técnicas de preparação de pós finos, entre elas o processo sol-gel, podem integrar essas rotas de fabricação. Cerâmicas avançadas também são usadas em aplicações médicas, elétricas e eletrônicas.
A engenharia cerâmica trata da produção e do estudo de materiais, peças e dispositivos cerâmicos. A fabricação pode envolver tratamento térmico ou, em alguns processos, reações de precipitação a partir de soluções. O campo abrange purificação de matérias-primas, síntese dos compostos, conformação, processamento e análise de estrutura, composição e propriedades.
Mecanicamente, muitas cerâmicas são duras, resistentes à compressão e frágeis sob tração. Materiais frágeis podem suportar tensões de tração, mas apresentam pouca deformação plástica antes da ruptura. A tenacidade expressa a capacidade de absorver energia antes da fratura e pode ser quantificada pela energia absorvida por unidade de volume num ensaio de tração. A tenacidade à fratura caracteriza a resistência à propagação de uma trinca. Na mecânica da fratura linear elástica, o símbolo KIc designa especificamente a tenacidade em modo de abertura e sob condições de deformação plana. Mantidas a geometria e a tensão aplicada, maior tenacidade à fratura permite tolerar trincas maiores. Cerâmicas e vitrocerâmicas costumam apresentar menor tenacidade à fratura que metais dúcteis.
A elevada dureza do dióxido de zircônio, ou zircônia, é aproveitada em lâminas e ferramentas de corte. Alumina, carbeto de boro e carbeto de silício podem integrar blindagens e coletes balísticos. Peças de nitreto de silício são usadas em rolamentos cerâmicos de esferas por sua dureza e resistência ao desgaste. A resistência química de certas cerâmicas também permite seu uso em ambientes úmidos nos quais rolamentos de aço estariam sujeitos à oxidação.
Na década de 1980 foram pesquisados motores adiabáticos com revestimentos ou componentes cerâmicos para reduzir a transferência de calor das câmaras de combustão. Cerâmicas também foram investigadas para componentes de turbinas a gás. Temperaturas de operação maiores podem elevar a eficiência termodinâmica de uma máquina térmica, mas a fabricação de peças cerâmicas com precisão, baixa concentração de defeitos e durabilidade suficiente é difícil e cara. Falhas microscópicas introduzidas durante o processamento podem iniciar trincas. Em motores metálicos, parte da energia liberada pelo combustível precisa ser eliminada como calor residual para limitar a temperatura dos componentes.
Materiais vitrocerâmicos compartilham propriedades de vidros não cristalinos e de cerâmicas cristalinas. São inicialmente formados como vidro e depois parcialmente cristalizados por tratamento térmico. O resultado contém fases amorfas e cristalinas, com grãos cristalinos inseridos numa fase vítrea residual.
Vitrocerâmicas são usadas em utensílios de cozinha e placas de fogão, entre outras aplicações, devido à resistência a choque térmico e à baixa permeabilidade a líquidos. Em certas composições, a contração térmica de uma fase cristalina compensa a expansão da fase vítrea, produzindo dilatação total próxima de zero. A proporção necessária depende das fases presentes. Na vitrocerâmica CLEARCERAM-Z, por exemplo, a fração cristalina é de aproximadamente 70%. A temperatura de uso e a resistência ao choque térmico também dependem da composição, das dimensões da peça e das condições de aquecimento. Placas transparentes de NEXTREMA, por exemplo, foram ensaiadas com aquecimento uniforme a 820 °C seguido de resfriamento com água a 20 °C, sem trincas por tensão térmica.
Materiais vítreos também podem ser produzidos naturalmente quando um raio atinge grãos minerais presentes na areia. O aquecimento intenso e rápido pode fundir o material e formar estruturas ocas e ramificadas chamadas fulguritos.
A madeira é um material orgânico natural cujas paredes celulares contêm microfibrilas de celulose envolvidas por uma matriz de hemiceluloses e lignina. As microfibrilas fornecem resistência à tração, enquanto a matriz ajuda a sustentá-las e a transferir esforços. A madeira é usada na construção desde que os seres humanos começaram a construir abrigos e embarcações. A madeira destinada à construção pode ser chamada madeira serrada ou madeira estrutural. Também é usada para fabricar formas para concreto.
Materiais derivados da madeira são usados em embalagens, papelão e papel, produzidos a partir de polpa refinada. Processos químicos de produção de polpa empregam temperaturas elevadas e reagentes alcalinos, como no processo kraft, ou ácidos, como no processo sulfito, para romper ligações da lignina e separar as fibras de celulose.
O carbono pode formar compostos cujas unidades se ligam umas às outras e produzem cadeias ou redes. O processo recebe o nome de polimerização, as cadeias ou redes resultantes são polímeros e a molécula precursora é um monômero. Há dois grupos gerais de polímeros. Os fabricados artificialmente são chamados polímeros sintéticos, enquanto os produzidos por organismos são chamados biopolímeros.
Monômeros podem ter diferentes substituintes e grupos funcionais. Essas diferenças alteram propriedades químicas, como solubilidade e reatividade, e propriedades físicas, como dureza, densidade, resistência mecânica, resistência à abrasão, resistência ao calor, transparência e cor. Nas proteínas, a composição e a sequência das unidades permitem que a cadeia adote determinadas conformações, inclusive por processos de auto-organização.
Polímeros naturais são usados há séculos na forma de fibras, borracha e goma-laca. A celulose fornece resistência à tração a fibras e cordas naturais. No início do século XIX, a borracha natural já tinha uso disseminado. Ceras, embora também possam ser sólidos orgânicos, não constituem em geral exemplos de polímeros. Muitas ceras naturais são misturas ricas em ésteres de cadeia longa, enquanto a parafina é uma mistura de hidrocarbonetos. Polímeros são as matérias-primas, ou resinas, usadas na fabricação de muitos plásticos. O plástico final pode resultar da combinação de um ou mais polímeros com aditivos e de sua posterior conformação. Entre os polímeros de uso amplo estão polietileno, polipropileno, policloreto de vinila, poliestireno, náilons, poliésteres, acrílicos, poliuretano, policarbonato e silicones. Os plásticos costumam ser classificados em materiais de uso geral, especiais e de engenharia.
Materiais compósitos contêm dois ou mais constituintes distintos que mantêm interfaces entre si. Um deles pode formar uma matriz contínua, enquanto outro forma partículas, fibras, lâminas ou outros tipos de reforço. As fases constituintes podem ser metálicas, cerâmicas ou poliméricas.
As aplicações vão do concreto armado aos componentes do sistema de proteção térmica dos ônibus espaciais da NASA. Um exemplo é o carbono-carbono reforçado, ou RCC, usado no nariz e nos bordos de ataque das asas, em regiões onde as temperaturas de reentrada ultrapassavam 1.260 °C. O RCC é um compósito laminado de tecido de carbono impregnado com resina fenólica. Após a cura, o material é pirolisado para converter a resina em carbono. Impregnações com álcool furfurílico, seguidas de novas pirólises, aumentam sua densidade e melhoram suas propriedades mecânicas. Para limitar a oxidação, as camadas externas são convertidas em carbeto de silício. A proteção térmica também depende da emissão de calor por radiação e do isolamento dos componentes metálicos sob a peça.
Carcaças plásticas de televisores, telefones celulares e outros aparelhos também podem ser compósitos. Uma matriz termoplástica, como acrilonitrila butadieno estireno, ou ABS, pode receber carbonato de cálcio, talco, fibras de vidro ou fibras de carbono. Essas adições podem modificar resistência, rigidez, volume ou comportamento eletrostático.
A matriz envolve e sustenta os materiais de reforço e mantém suas posições relativas. Os reforços alteram propriedades mecânicas ou físicas da matriz. A combinação pode produzir propriedades que os constituintes não apresentam isoladamente.
Chip semicondutor sobre substrato de silício cristalino.
Semicondutores são materiais cuja condutividade elétrica costuma ficar entre a dos bons condutores metálicos e a dos isolantes, mas sua descrição microscópica é feita pela estrutura eletrônica de bandas. No modelo ideal de um semicondutor intrínseco a zero kelvin, a banda de valência está preenchida e a banda de condução está vazia. Entre elas existe uma banda proibida, cuja largura permite que a excitação térmica ou a absorção de luz gere portadores de carga. Entre os materiais semicondutores comuns estão silício, germânio e arsenieto de gálio.
Dispositivos fabricados com materiais semicondutores formam a base de grande parte da eletrônica, inclusive rádios, computadores e telefones. Entre esses dispositivos estão o transistor, as células solares, os diodos e os circuitos integrados. Painéis fotovoltaicos reúnem células semicondutoras que convertem luz em energia elétrica.
Em um condutor metálico, a corrente é transportada principalmente pelo movimento de elétrons. Nos semicondutores, a descrição em bandas envolve elétrons e buracos, que se comportam como portadores positivos. A concentração dos portadores pode ser alterada por temperatura, iluminação e dopagem.
Silício macroscópico, à esquerda, e nanopó de silício, à direita.
Muitos sólidos apresentam propriedades diferentes quando suas dimensões chegam à escala nanométrica. Nanopartículas de ouro, por exemplo, podem apresentar cores muito diferentes do ouro macroscópico. Nanopartículas de silício também podem ter propriedades ópticas diferentes do material macroscópico. O ponto de fusão de nanopartículas pode diminuir com o tamanho. Partículas de ouro com poucos nanômetros de diâmetro fundem a temperaturas inferiores aos 1.064 °C do ouro macroscópico. Nanofios metálicos podem alcançar resistências mecânicas superiores às observadas no material macroscópico correspondente.
A grande razão entre área superficial e volume das nanopartículas favorece certas aplicações catalíticas e eletroquímicas. Metais do grupo da platina podem ser usados como catalisadores automotivos e em células a combustível de membrana de troca de prótons. Óxidos e cermets contendo lantânio, cério, manganês e níquel são desenvolvidos para componentes de células de combustível de óxido sólido. Nanomateriais também são empregados ou investigados em baterias de íons de lítio, incluindo materiais à base de titanato de lítio e silício.
Nanopartículas e nanofios de silício são estudados como materiais de eletrodo. Em dispositivos fotovoltaicos, estruturas nanométricas e pontos quânticos de silício podem modificar a absorção, a emissão e o transporte de carga. Nesses sistemas, a elevada área superficial e o confinamento em pequena escala alteram o comportamento do material.
Muitos materiais naturais ou biológicos são compósitos organizados em diferentes escalas e apresentam propriedades mecânicas que dependem dessa organização. Osso, madeira, conchas e outros materiais combinam constituintes com propriedades diferentes desde a escala molecular até a macroscópica. Estruturas biológicas têm inspirado o desenvolvimento de materiais sintéticos com organização semelhante. Alguns desses sistemas apresentam multifuncionalidade, autorreparo ou capacidade de montagem espontânea. A auto-organização também é empregada na síntese química de biomateriais.
Propriedades físicas
Propriedades físicas de elementos e compostos incluem odor, cor, volume, densidade, ponto de fusão, ponto de ebulição, capacidade térmica, estado físico, forma cristalina, dureza, porosidade e índice de refração. Em materiais sólidos, muitas dessas propriedades dependem da estrutura microscópica e das ligações entre seus constituintes.
As propriedades mecânicas dos materiais abrangem resistência, rigidez e comportamento sob deformação. Vigas de aço, por exemplo, são usadas em estruturas porque podem suportar cargas sem ruptura ou deformação excessiva, desde que suas dimensões e condições de apoio sejam adequadas.
A mudança de forma ou de dimensões recebe o nome de deformação. Em tração uniaxial, a deformação específica longitudinal é a razão entre a variação do comprimento e o comprimento inicial. Para pequenas deformações, muitos materiais apresentam uma região em que a tensão é proporcional à deformação específica, conforme a lei de Hooke. A constante de proporcionalidade em tração uniaxial é o módulo de Young. Essa faixa é chamada região linearmente elástica.
Elasticidade: quando a tensão é removida, o material recupera a deformação.
Viscoelasticidade: a resposta depende do tempo e reúne comportamento elástico e viscoso. Parte da energia é dissipada, e a curva tensão-deformação pode formar um ciclo de histerese.
Plasticidade: parte da deformação permanece depois da retirada da carga. Em muitos materiais, esse comportamento se torna evidente quando a tensão ultrapassa o limite de escoamento.
A rigidez ao cisalhamento permite que sólidos transmitam ondas longitudinais e ondas transversais. Líquidos e gases comuns não sustentam tensão de cisalhamento estática e, no regime acústico usual, transmitem em seu interior ondas sonoras longitudinais.
Muitos materiais perdem resistência quando a temperatura aumenta. Materiais refratários conservam propriedades úteis sob aquecimento intenso. Vitrocerâmicas, por exemplo, podem suportar ciclos térmicos rápidos. Em aplicações aeroespaciais, fibras sintéticas, compósitos e polímeros reforçados são escolhidos conforme a combinação de carga mecânica e temperatura a que serão submetidos.
Nos sólidos, os átomos vibram em torno de posições médias de equilíbrio. Em cristais, as vibrações coletivas do retículo podem ser tratadas por modos normais e, na descrição quântica, por fônons. Em vidros e outros materiais desordenados também há movimentos vibracionais, embora a ausência de periodicidade modifique seu espectro. Esses movimentos atômicos podem ser investigados por técnicas como espectroscopia.
Entre as propriedades térmicas dos sólidos está a condutividade térmica, que caracteriza sua capacidade de conduzir calor. O calor específico é a capacidade térmica por unidade de massa e relaciona o calor transferido à variação de temperatura, sob condições especificadas, como pressão ou volume constantes. Dilatação térmica, difusividade e estabilidade de fase também dependem da composição e da estrutura.
Entre as propriedades elétricas estão resistividade elétrica, condutividade elétrica, rigidez dielétrica e permissividade. Condutores elétricos como metais e ligas diferem de isolantes como vidros e muitas cerâmicas. Semicondutores apresentam comportamento intermediário. Nos metais, a corrente é transportada principalmente por elétrons. Nos semicondutores, elétrons e buracos contribuem para a corrente. Em condutores iônicos, íons móveis transportam carga elétrica.
Muitos materiais apresentam supercondutividade em temperaturas suficientemente baixas. Entre eles estão elementos metálicos como estanho e alumínio, ligas metálicas, alguns semicondutores fortemente dopados e determinadas cerâmicas. A resistividade de um condutor metálico comum geralmente diminui quando a temperatura cai, mas impurezas e defeitos podem produzir resistência residual. No estado supercondutor, a resistência elétrica de corrente contínua é nula. A manutenção desse estado depende da temperatura, do campo magnético e da corrente aplicada, que precisam permanecer dentro dos limites do material. Correntes persistentes podem circular em anéis supercondutores sem uma fonte contínua de tensão.
Um dielétrico oferece grande resistência à corrente elétrica e pode se polarizar quando submetido a um campo elétrico. Dielétricos são empregados em muitos capacitores, que armazenam energia no campo elétrico entre condutores separados por um meio isolante ou pelo vácuo. Num capacitor inicialmente neutro, a aplicação de uma diferença de potencial produz cargas de mesma magnitude e sinais opostos nas duas armaduras. Capacitores são usados em armazenamento temporário de energia, filtragem e outros circuitos eletrônicos.
Eletromecânicas
A piezoeletricidade é a capacidade de certos materiais produzirem uma variação de polarização elétrica quando submetidos a tensão mecânica. O efeito inverso também ocorre: a aplicação de um campo elétrico produz deformação. O fluoreto de polivinilideno, ou PVDF, quando preparado com estrutura e polarização adequadas, apresenta resposta piezoelétrica e é usado em sensores, atuadores e transdutores. Quartzo cristalino, SiO2, é outro material piezoelétrico comum.
Materiais dielétricos, incluindo polímeros, também podem formar eletretos, que retêm carga elétrica ou polarização por períodos prolongados. Essa propriedade é distinta da piezoeletricidade, embora eletretos possam integrar dispositivos que convertem movimento mecânico em energia elétrica.
Magnéticas
Entre os comportamentos magnéticos encontrados em materiais sólidos estão diamagnetismo, paramagnetismo e ferromagnetismo. A resposta depende da estrutura eletrônica e da organização dos momentos magnéticos e pode ser caracterizada por grandezas como a permeabilidade magnética. Nos ferromagnéticos, regiões chamadas domínios magnéticos contêm momentos alinhados. Um campo externo pode reorientar ou ampliar determinados domínios, e parte da magnetização pode permanecer depois de o campo ser retirado.
Ópticas
Materiais podem transmitir luz visível, como muitos vidros, ou refletir grande parte dela, como metais polidos.
Muitos materiais transmitem alguns comprimentos de onda e bloqueiam outros. O vidro de janelas, por exemplo, transmite grande parte da luz visível, mas muito menos de determinadas faixas da radiação ultravioleta que podem causar queimadura solar. Essa seletividade é usada em filtros ópticos que modificam o espectro da luz transmitida.
Algumas aplicações exigem simultaneamente propriedades ópticas e mecânicas. Sensores de um míssil com guiamento por infravermelho precisam, por exemplo, de uma cobertura transparente à radiação infravermelha. A safira monocristalina é usada em janelas e domos ópticos para parte da faixa do infravermelho médio, mas não transmite igualmente toda a região de 3 a 5 μm. Sua resistência mecânica diminui com o aumento da temperatura. Ensaios de flexão de cristais de safira registraram uma queda acentuada entre 400 e 600 °C. Cerâmicas transparentes e nanocompósitos ópticos permitem outras combinações de transmissão, resistência e estabilidade térmica.
A transmissão guiada de luz é a base da fibra óptica. Certos vidros podem transportar simultaneamente diferentes comprimentos de onda com baixa perda de intensidade. Guias de onda ópticos são usados em circuitos ópticos integrados e em sistemas de comunicação.
Uma célula solar, ou célula fotovoltaica, converte energia luminosa em energia elétrica. O dispositivo absorve fótons, gera portadores de carga, elétrons e buracos, e separa esses portadores para contatos condutores que transmitem a corrente ao circuito externo. Essa conversão é o efeito fotovoltaico.
Células solares são usadas em sistemas sem acesso à rede elétrica, satélites em órbita terrestre, sondas espaciais, calculadoras, relógios, sistemas de telecomunicação e bombeamento de água. Também integram módulos e arranjos fotovoltaicos conectados à rede elétrica por inversores.
Todas as células solares contêm um material absorvedor capaz de gerar portadores a partir da luz incidente. A faixa espectral absorvida depende do material e do projeto. Algumas células são otimizadas para o espectro recebido na superfície terrestre, enquanto células destinadas ao espaço podem ser projetadas para condições diferentes.
O Commons possui uma categoria com imagens e outros ficheiros sobre Sólido
Física do estado sólido é o maior ramo da física da matéria condensada e estuda a matéria rígida ou sólidos. As principais teorias e pesquisas da física do estado sólido estão focadas em cristais, basicamente devido a periodicidade dos átomos no cristal que facilita a modelagem matemática e também porque materiais cristalinos frequentemente possuem propriedades elétricas, magnéticas, ópticas, ou mecânicas que podem ser explorados para propósitos de engenharia.
É a disciplina fundamental que trata do estudo e aprimoramento dos semicondutores. Uma das principais teorias advindas da física de sólidos é a Teoria de Bandas.
As origens intelectuais da ciência dos materiais vêm do Iluminismo, quando os pesquisadores começaram a usar o pensamento analítico da química, da física e da engenharia para entender antigas observações fenomenológicas em metalurgia e mineralogia. Como tal, o campo da ciência dos materiais foi por muito tempo considerado pelas instituições acadêmicas como um subcampo desses campos relacionados. A partir da década de 1940, a ciência dos materiais começou a ser mais amplamente reconhecida como um campo específico e distinto da ciência e da engenharia, e as principais universidades técnicas do mundo criaram escolas dedicadas ao seu estudo.
Os cientistas de materiais enfatizam a compreensão de como a história de um material (processamento) influencia sua estrutura e, portanto, as propriedades e o desempenho do material. A compreensão das relações processamento-estrutura-propriedades é chamada de paradigma dos materiais. Este paradigma é usado para avançar a compreensão em uma variedade de áreas de pesquisa, incluindo nanotecnologia, biomateriais e metalurgia.
A ciência dos materiais também é uma parte importante da engenharia forense e da análise de falhas – investigando materiais, produtos, estruturas ou componentes que falham ou não funcionam como pretendido, causando ferimentos pessoais ou danos à propriedade. Essas investigações são fundamentais para entender, por exemplo, as causas de vários acidentes e incidentes aéreos.
↑Cramb, A. W. (10 de outubro de 2005). «Solidification and steel casting». In: Seshadri Seetharaman. Fundamentals of Metallurgy. Col: Woodhead Publishing Series in Metals and Surface Engineering (em inglês). [S.l.]: Woodhead Publishing. pp.399–452. ISBN978-1-85573-927-7. doi:10.1533/9781845690946.2.399. Consultado em 15 de setembro de 2026
12Flowers, Paul; Theopold, Klaus; Langley, Richard; Robinson, William R. (14 de fevereiro de 2019). «10.4 Phase Diagrams». Chemistry 2e (em inglês). [S.l.]: OpenStax. Consultado em 15 de setembro de 2026
↑Moebs, William; Ling, Samuel J.; Sanny, Jeff (19 de setembro de 2016). «14.1 Fluids, Density, and Pressure». University Physics Volume 1 (em inglês). [S.l.]: OpenStax. Consultado em 15 de setembro de 2026
↑Flowers, Paul; Theopold, Klaus; Langley, Richard; Robinson, William R. (14 de fevereiro de 2019). «4.1 Writing and Balancing Chemical Equations». Chemistry 2e (em inglês). [S.l.]: OpenStax. Consultado em 15 de setembro de 2026
↑Scribner, R. A.; Panczyk, M. F.; Adams, E. D. (12 de agosto de 1968). «Low-Temperature He3 Melting Curve». Physical Review Letters (em inglês). 21 (7): 427–429. doi:10.1103/PhysRevLett.21.427
↑Hong, Qi-Jun; van de Walle, Axel (20 de julho de 2015). «Prediction of the material with highest known melting point from ab initio molecular dynamics calculations». Physical Review B (em inglês). 92 (2): 020104. doi:10.1103/PhysRevB.92.020104
↑Ling, Samuel J.; Sanny, Jeff; Moebs, William (29 de setembro de 2016). «9.3 Bonding in Crystalline Solids». University Physics Volume 3 (em inglês). [S.l.]: OpenStax. Consultado em 15 de setembro de 2026
↑«14.1: Compressibility» (em inglês). Chemistry LibreTexts. 27 de junho de 2016. Consultado em 19 de março de 2025
12Moebs, William; Ling, Samuel J.; Sanny, Jeff (19 de setembro de 2016). «12.3 Stress, Strain, and Elastic Modulus». University Physics Volume 1 (em inglês). [S.l.]: OpenStax. Consultado em 15 de setembro de 2026
↑Clark, Mary Ann; Douglas, Matthew; Choi, Jung (28 de março de 2018). «2.2 Water». Biology 2e (em inglês). [S.l.]: OpenStax. Consultado em 15 de setembro de 2026
12«FAQs About Water and Steam» (em inglês). International Association for the Properties of Water and Steam. Consultado em 15 de setembro de 2026
↑B. W. Mangum e D. D. Thornton, ed. (junho de 1977). The gallium melting-point standard(PDF). Col: NBS Special Publication 481 (em inglês). [S.l.]: National Bureau of Standards. doi:10.6028/NBS.SP.481. Consultado em 15 de setembro de 2026
↑Powell-Palm, Matthew J.; Rubinsky, Boris; Sun, Wenhao (21 de fevereiro de 2020). «Freezing water at constant volume and under confinement». Communications Physics (em inglês). 3 (1): 39. ISSN2399-3650. doi:10.1038/s42005-020-0303-9
12345Flowers, Paul; Theopold, Klaus; Langley, Richard; Robinson, William R. (14 de fevereiro de 2019). «10.5 The Solid State of Matter». Chemistry 2e (em inglês). [S.l.]: OpenStax. Consultado em 15 de setembro de 2026
12Wiemann, Michael C. (2021). «Characteristics and availability of commercially important woods». Wood handbook: wood as an engineering material. Col: General Technical Report FPL-GTR-282 (em inglês). Madison: USDA Forest Service, Forest Products Laboratory. Consultado em 15 de setembro de 2026
↑Narula, G. K.; Narula, K. S.; Gupta, V. K. (1989). Materials Science (em inglês). [S.l.]: Tata McGraw-Hill. ISBN978-0-07-451796-3. Consultado em 15 de setembro de 2026
↑Kingston, Hannah; Poole, Emma; Arnold, Brian (1 de julho de 2006). Science Foundation (em inglês). [S.l.]: Letts Educational. ISBN978-1-84315-656-7. Consultado em 15 de setembro de 2026
↑«Ceramics» (em inglês). University of Colorado. Consultado em 15 de setembro de 2026
12Zhuohao Xiao, Shijin Yu, Yueming Li, Shuangchen Ruan, Ling Bing Kong, Qing Huang, Zhengren Huang, Kun Zhou, Haibin Su, Zhengjun Yao, Wenxiu Que, Yin Liu, Tianshu Zhang, Jun Wang, Peng Liu, Deyuan Shen, Mathieu Allix, Jian Zhang e Dingyuan Tang (janeiro de 2020). «Materials development and potential applications of transparent ceramics: A review». Materials Science and Engineering: R: Reports (em inglês). 139: 100518. doi:10.1016/j.mser.2019.100518 !CS1 manut: Nomes múltiplos: lista de autores (link)
↑Kosaka, Hidemasa; Wakisaka, Yoshifumi; Nomura, Yoshihiro; Hotta, Yoshihiro; Koike, Makoto; Nakakita, Kiyomi; Kawaguchi, Akio (8 de abril de 2013). «Concept of "Temperature Swing Heat Insulation" in Combustion Chamber Walls, and Appropriate Thermo-Physical Properties for Heat Insulation Coat». SAE International Journal of Engines (em inglês). 6 (1): 142–149. doi:10.4271/2013-01-0274
↑Ling, Samuel J.; Sanny, Jeff; Moebs, William (29 de setembro de 2016). «9.5 Band Theory of Solids». University Physics Volume 3 (em inglês). [S.l.]: OpenStax. Consultado em 15 de setembro de 2026
↑Ling, Samuel J.; Sanny, Jeff; Moebs, William R. (29 de setembro de 2016). «9.6 Semiconductors and Doping». University Physics Volume 3 (em inglês). [S.l.]: OpenStax. Consultado em 15 de setembro de 2026
↑Buffat, Ph.; Borel, J.-P. (1 de junho de 1976). «Size effect on the melting temperature of gold particles». Physical Review A (em inglês). 13 (6): 2287–2298. doi:10.1103/PhysRevA.13.2287
↑Moebs, William; Ling, Samuel J.; Sanny, Jeff (19 de setembro de 2016). «12.4 Elasticity and Plasticity». University Physics Volume 1 (em inglês). [S.l.]: OpenStax. Consultado em 15 de setembro de 2026
↑Moebs, William; Ling, Samuel J.; Sanny, Jeff (19 de setembro de 2016). «17.1 Sound Waves». University Physics Volume 1 (em inglês). [S.l.]: OpenStax. Consultado em 15 de setembro de 2026
↑Ling, Samuel J.; Moebs, William; Sanny, Jeff (6 de outubro de 2016). «1.4 Heat Transfer, Specific Heat, and Calorimetry». University Physics Volume 2 (em inglês). [S.l.]: OpenStax. Consultado em 15 de setembro de 2026
↑Ling, Samuel J.; Sanny, Jeff; Moebs, William (29 de setembro de 2016). «9.8 Superconductivity». University Physics Volume 3 (em inglês). [S.l.]: OpenStax. Consultado em 15 de setembro de 2026
↑Ling, Samuel J.; Moebs, William; Sanny, Jeff (6 de outubro de 2016). «8.1 Capacitors and Capacitance». University Physics Volume 2 (em inglês). [S.l.]: OpenStax. Consultado em 15 de setembro de 2026
↑Tanaka, Yuya; Matsuura, Noritaka; Ishii, Hisao (20 de abril de 2020). «Self-Assembled Electret for Vibration-Based Power Generator». Scientific Reports (em inglês). 10: 6648. doi:10.1038/s41598-020-63484-9
↑Ling, Samuel J.; Moebs, William; Sanny, Jeff (6 de outubro de 2016). «12.7 Magnetism in Matter». University Physics Volume 2 (em inglês). [S.l.]: OpenStax. Consultado em 15 de setembro de 2026
↑Wang, Guigen; Zuo, Hongbo; Zhang, Huayu; Wu, Qibao; Zhang, Mingfu; He, Xiaodong; Hu, Zhaohui; Zhu, Lin (fevereiro de 2010). «Preparation, quality characterization, service performance evaluation and its modification of sapphire crystal for optical window and dome application». Materials & Design (em inglês). 31 (2): 706–711. doi:10.1016/j.matdes.2009.08.015
.jpg)
.gif)
