Cristal

Embora o termo cristal tenha um significado preciso no âmbito da ciência dos materiais e da física do estado sólido, em linguagem coloquial o termo é utilizado de forma muito abrangente para designar objectos sólidos que apresentam características de brilho e forma bem marcados, em geral associados a formas geométricas simples. Se alguns são cristais, como o gelo, a neve e o sal de cozinha, outros são na realidade vítreos, isto é são compostos por materiais cujos átomos não apresentam qualquer ordenação especifica. Apesar de em geral o arrefecimento de uma substância conduzir à formação de cristais (isto é à cristalização), tal não é uma verdade universal. Misturas de substâncias muito heterogéneas raramente cristalizam e em alguns casos o arrefecimento pode ser tão rápido que as moléculas ou átomos perdem mobilidade antes de poderem atingir a posição correcta na malha cristalina. Um material não cristalino, como o vulgar vidro, não apresenta ordenação espacial dos seus átomos ou moléculas ao longo de distâncias consideráveis, face ao raio desses átomos ou moléculas, pelo que é denominado amorfo ou vítreo. Estes materiais são em geral denominados sólidos amorfos, sendo um exemplo geológico conhecido a obsidiana.

Num cristal a posição de cada um dos átomos, moléculas ou íons que o constituem, que para economia discursiva passaremos a designar (de forma menos correta) por partículas, é determinada pelas posições ocupadas já existentes. Assim, no momento de cristalização, a partícula forma com as suas vizinhas um conjunto de ligações químicas (de qualquer tipo, indo das iônicas às ligações fracas) que determina a posição espacial que tenderá a ocupar. Em resultado desse processo, forma-se uma estrutura tridimensional, mantida de forma mais ou menos rígida pelas ligações entre partículas, que se vai progressivamente propagando no espaço, formado assim um sólido que tenderá, pela expressão macroscópica desta ordenação interna, a ter uma forte tendência para a simetria. São esses os sólidos a que chamamos cristais. As estruturas cristalinas ocorrem em todos os tipos de materiais com todo o tipo de ligações intermoleculares e interatómicas.

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Na natureza encontram-se cristais de formas muito diversificadas, dependentes da forma de arranjo das cargas eléctricas nos átomos ou moléculas que formam o cristal e das condições em que a cristalização se deu por exemplo a água, pode assumir múltiplas formas cristalinas em função da forma como o cristal se formou: a neve e um cubo de gelo são formas completamente distintas de cristais de água, com estrutura diferenciada em função das condições de cristalização. Pelas razões atrás apontadas, a forma dos cristais depende não só das características do material de que o cristal é formado mas também das condições de formação (um caso extremo é o Carbono: a altas pressões e temperaturas forma o diamante, a altas temperaturas e baixas pressões forma grafite, substâncias que á primeira vista nada têm em comum).

Os cristais apresentam propriedade ópticas e eléctricas específicas distintas das de quaisquer outros sólidos ou fluidos, o que os torna extremamente úteis em aplicações electro-ópticas e electrónicas, as quais dependem da sua estrutura, do tipo de ligações e das impurezas e defeitos na malha cristalina de que eventualmente padeçam. A maior parte dos materiais apresenta defeitos na sua malha cristalina, em geral resultantes da presenças de átomos ou moléculas de outras substâncias ou de defeitos no posicionamento da malha durante a cristalização. Estes defeitos conferem características particulares aos cristais, estando na base de muitas tecnologias. São defeitos na malha cristalina do Silício, induzidas, por exemplo, pela presença átomos de Germânio ou Gálio, que permitem o aparecimento de semicondutores, a base da actual tecnologia electrónica. Os efeitos mais conhecidos da estrutura cristalina são os piezoeléctricos, que estão na base, entre outras coisas, dos relógios de quartzo e das balanças electrónicas, os ferroeléctricos, utilizados em detectores diversos, o efeito piroeléctrico, usado em detectores de calor, termómetros e detectores de intrusão, e, acima de tudo, a formação de semicondutores, os quais estão na base de toda a electrónica dos transístores e díodos aos computadores.

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A cristalografia é o ramo da ciência que estuda as propriedades dos cristais, a sua formação e interacção com os factores físicos e químicos, incluindo os ambientais. O nascimento da cristalografia moderna está associado a dois experimentos cruciais realizados no início do século XX: a descoberta da difração de raios X por Max von Laue em 1912 e a demonstração feita no ano seguinte por William Lawrence Bragg e William Henry Bragg de que esse fenômeno pode ser usado para determinar a posição dos átomos em um cristal. Para celebrar esses eventos, a União Internacional de Cristalografia propôs que 2014 fosse declarado o Ano Internacional da Cristalografia. Por essas descobertas, o prêmio Nobel de Física foi atribuído a von Laue em 1914 e a W. L. Bragg e W. H. Bragg no ano seguinte. Os cristais, devido às simetrias geradas pela repetição espacial da sua estrutura atómica, assumem formas geométricas bem definidas que estão na base da sua classificação: em função do número de cadeias, dos eixos de simetria e do número e características morfológicas das faces, são agrupados em sistemas de classificação que servem para identificá-los.

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Habitualmente com alguns centímetros de comprimento, foram encontrados cristais com mais de 10 m na Caverna dos Cristais na mina de Naica, no México.