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Quasicristais | O que é um quasicristal?

Para entender o que são Quasicristais, primeiro vamos falar um pouco de cristalografia. Na cristalografia clássica um cristal é definido como um arranjo periódico tridimensional de átomos com periodicidade de translação ao longo dos seus três eixos principais. Assim, é possível obter uma estrutura de cristal infinitamente estendida ao alinhar os blocos de construção até o espaço ser preenchido.

Estruturas cristalinas normais pode ser descritas por um dos 230 grupos de espaço, que descrevem os elementos de simetria de rotação e translação apresentados na estrutura. Padrões de difração desses cristais normais apresentam, portanto, pontos de simetrias cristalográficas.

O que é um quasicristal?

Quasicristal de Ho-Mg-Zn dodecaédrico, cultivado pelo método de auto-fluxoEm 1984, no entanto, Shechtman, Blech, Gratias e Cahn publicaram um artigo que marcou a descoberta dos quasicristais. Eles mostraram padrões de difração de elétrons de uma liga Alumínio e Manganês com reflexos nítidos e simetria de ordem 10. Todo o conjunto de padrões de difração revelou uma simetria icosaédrica do espaço recíproco. Desde então, foram encontrados muitos quasicristais estáveis ​​e meta-estáveis, frequentemente ligas intermetálicas binárias ou ternárias tendo o alumínio como um dos componentes.

Os quasicristais icosaédricos formam um grupo e os quasicristais poligonais outro (simetria 8,10,12). Podemos afirmar que quasicristais são materiais com perfeita ordem de longo alcance, mas sem periodicidade translacional tridimensional. O primeiro se manifesta na ocorrência de manchas de difração nítidas e este último, na presença de uma simetria rotacional não cristalográfica. A descoberta dos quasicristais rendeu o prêmio nobel de química 2011 ao químico israelense Daniel Shechtman.

Características dos quasicristais

Suas superfícies não são aderentes, e não obstante a sua elevada dureza os quasicristais trincam facilmente. Por causa da sua estrutura atômica, são péssimos condutores de eletricidade e calor.

Aplicações dos quasicristais

Embora os quasicristais tenham sido amplamente sintetizados desde a sua descoberta, apenas em 2009 foi relatada a primeira ocorrência de uma quasicristal na natureza. O minério composto de alumínio, cobre e ferro encontrado no rio Khatyrka na Rússia.

Uma empresa sueca também teve exito em criar um tipo de aço com características incríveis, composto de duas fases diferentes, uma de aço duro juntamente com um aço mais macio. Tal material hoje é aplicado em lâminas de barbear e equipamentos cirúrgicos.

Devido a baixa taxa de transporte térmico, podem ser utilizados como materiais termoelétricos, para converter energia térmica em eletricidade.

São utilizados também como revestimentos antiaderentes, em frigideiras, e na industria eletrônica, como por exemplo em diodos e LEDs.

Tipos de Quasicristais

Desde a descoberta original de Dan Shechtman, centenas de quasicristais foram reportados e confirmados. Sem dúvida, os quasicristais não são mais uma forma única de sólidos; eles existem universalmente em muitas ligas metálicas e alguns polímeros. Quasicristais são encontrados com mais freqüência em ligas de alumínio (Al-Li-Cu, Al-Mn-Si, Al-Ni-Co, Al-Pd-Mn, Al-Cu-Fe, Al-Cu-V, etc), e muitas outras composições também são conhecidas como:  (Cd-Yb, Ti-Zr-Ni, Zn-Mg-Ho, Zn-Mg-Sc, Na-Ag-Yb, Pd-U-Si, etc.)

Existem dois tipos conhecidos de quasicristais.

  • O primeiro tipo, os poligonais têm um eixo de 8, 10 ou 12 vezes de simetria (octogonal, decagonais ou dodecagonal, respectivamente).
  • Eles são periódicos ao longo deste eixo e quasiperiódicos em planos normais ao mesmo. O segundo tipo, quasicristais icosaédricos, são aperiódicos em todas as direções.

O Conceito de Espaço Dimensional Superior

Modelo atômico da superfície de um quasicristal de alumínio-paládio-manganês (Al-Pd-Mn) - QuasicristaisDesde que os quasicristais não possuem a periodicidade em pelo menos uma dimensão, não é possível os descrever em 3D, tão facilmente quanto as estruturas cristalinas normais. Assim, torna-se mais difícil encontrar formalismos matemáticos para a interpretação e análise de dados de difração num quasicristal.

Para cristais normais podemos atribuir três valores inteiros (índices de Miller) para rotular os reflexos observáveis. Isto é devido à periodicidade translacional tridimensional da estrutura. De modo a atribuir índices inteiros às intensidades de difração de quasicristais, no entanto, pelo menos, cinco vetores linearmente independentes são necessários. Por isso, precisamos 5 índices para quasicristais poligonais e 6 índices para quasicristais icosaédricos. Podemos chamá-los de índices de Miller generalizados. Os vetores necessários abrangem um espaço recíproco. Portanto, há também um espaço direto em que uma estrutura pode ser construída e que dá origem a um padrão de difração, que é observado nos quasicristais. Simplificando, podemos dizer que, no espaço de dimensão superior podemos descrever uma estrutura quasiperiódica como um periódico.

Referências

  1. Shechtman, D.; Blech, I.; Gratias, D.; Cahn, J. (1984). “Metallic Phase with Long-Range Orientational Order and No Translational Symmetry”.Physical Review Letters 53 (20): 1951. doi:10.1103/PhysRevLett.53.1951
  2. Ron Lifshitz, Dan Shechtman, Shelomo I. Ben-Abraham, “Quasicrystals: The Silver Jubilee”, Philosophical Magazine Special
  3. I. Caracelli. Nobel em Química 2011: Descoberta dos quasicristais, uma nova classe de sólidos. QUÍMICA NOVA NA ESCOLA: 2011.
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Escrito por Equipe de Redação Ciências e Tecnologia

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