Sólido amorfo

Na física da matéria condensada e na ciência dos materiais, um sólido amorfo (ou sólido não cristalino) é um sólido que não possui a ordem de longo alcance que é característica de um cristal. Os termos "vidro" e "sólido vítreo" às vezes são usados como sinônimos de sólido amorfo; no entanto, esses termos se referem especificamente a materiais amorfos que passam por uma transição vítrea. Exemplos de sólidos amorfos incluem vidros, vidros metálicos e certos tipos de plásticos e polímeros.

Etimologia

O termo vem do grego a ("sem") e morphé ("forma, forma").

Estrutura

Cristalina vs. sólido amorfo

Os materiais amorfos têm uma estrutura interna que consiste em blocos estruturais interconectados que podem ser semelhantes às unidades estruturais básicas encontradas na fase cristalina correspondente do mesmo composto. Ao contrário dos materiais cristalinos, no entanto, não existe ordem de longo alcance. Materiais amorfos, portanto, não podem ser definidos por uma célula unitária finita. Os métodos estatísticos, como a função de densidade atômica e a função de distribuição radial, são mais úteis para descrever a estrutura de sólidos amorfos.

Os vidros são um exemplo comumente encontrado de sólidos amorfos.

Embora os materiais amorfos não possuam ordem de longo alcance, eles exibem ordem localizada em escalas de comprimento pequeno. A ordem localizada em materiais amorfos pode ser categorizada como ordem de curto ou médio alcance. Por convenção, a ordem de curto alcance se estende apenas até a camada vizinha mais próxima, normalmente apenas 1-2 espaçamentos atômicos. A ordem de médio alcance é então definida como a organização estrutural que se estende além da ordem de curto alcance, geralmente por 1-2 nm.

Materiais nanoestruturados

Os materiais amorfos terão algum grau de ordem de curto alcance na escala de comprimento atômico devido à natureza da ligação química intermolecular. Além disso, em cristais muito pequenos, a ordem de curto alcance abrange uma grande fração dos átomos; no entanto, o relaxamento na superfície, junto com os efeitos interfaciais, distorce as posições atômicas e diminui a ordem estrutural. Mesmo as técnicas de caracterização estrutural mais avançadas, como difração de raios X e microscopia eletrônica de transmissão, têm dificuldade em distinguir estruturas amorfas e cristalinas em escalas de comprimento curto.

Caracterização de sólidos amorfos

Devido à falta de ordem de longo alcance, as técnicas cristalográficas padrão são frequentemente inadequadas para determinar a estrutura de sólidos amorfos. Uma variedade de técnicas baseadas em elétrons, raios X e computação foram usadas para caracterizar materiais amorfos. A análise multimodal é muito comum para materiais amorfos.

Difração de raios X e nêutrons

Ao contrário dos materiais cristalinos que exibem forte difração de Bragg, os padrões de difração de materiais amorfos são caracterizados por picos amplos e difusos. Como resultado, análises detalhadas e técnicas complementares são necessárias para extrair informações estruturais do espaço real dos padrões de difração de materiais amorfos. É útil obter dados de difração de fontes de raios-X e de nêutrons, pois elas têm diferentes propriedades de espalhamento e fornecem dados complementares. A análise da função de distribuição de pares pode ser realizada em dados de difração para determinar a probabilidade de encontrar um par de átomos separados por uma certa distância. Outro tipo de análise feita com dados de difração de materiais amorfos é a análise da função de distribuição radial, que mede o número de átomos encontrados em distâncias radiais variadas de um átomo de referência arbitrário. A partir dessas técnicas, a ordem local de um material amorfo pode ser elucidada.

Espectroscopia de estrutura fina de absorção de raios-X

A espectroscopia de estrutura fina de absorção de raios-X é uma sonda de escala atômica, tornando-a útil para estudar materiais ausentes em ordem de longo alcance. Os espectros obtidos por meio desse método fornecem informações sobre o estado de oxidação, número de coordenação e espécies ao redor do átomo em questão, bem como as distâncias em que são encontrados.

Tomografia eletrônica atômica

A técnica de tomografia eletrônica atômica é realizada em microscópios eletrônicos de transmissão capazes de atingir resolução sub-Angstrom. Uma coleção de imagens 2D tiradas em vários ângulos de inclinação diferentes é adquirida da amostra em questão e, em seguida, usada para reconstruir uma imagem 3D. Após a aquisição da imagem, uma quantidade significativa de processamento deve ser feita para corrigir problemas como desvio, ruído e distorção de varredura. Análise e processamento de alta qualidade usando tomografia eletrônica atômica resulta em uma reconstrução 3D de um material amorfo detalhando as posições atômicas das diferentes espécies presentes.

Microscopia eletrônica de flutuação

A microscopia eletrônica de flutuação é outra técnica baseada em microscopia eletrônica de transmissão que é sensível à ordem de médio alcance de materiais amorfos. Flutuações estruturais decorrentes de diferentes formas de ordem de médio alcance podem ser detectadas com este método. Os experimentos de microscopia eletrônica de flutuação podem ser feitos no modo de microscópio eletrônico de transmissão convencional ou de varredura.

Técnicas computacionais

Técnicas de simulação e modelagem são frequentemente combinadas com métodos experimentais para caracterizar estruturas de materiais amorfos. Técnicas computacionais comumente usadas incluem teoria do funcional da densidade, dinâmica molecular e Monte Carlo reverso.

Usos e observações

Filmes finos amorfos

Fases amorfas são constituintes importantes de filmes finos. Os filmes finos são camadas sólidas de alguns nanômetros a dezenas de micrômetros de espessura que são depositados sobre um substrato. Os chamados modelos de zona de estrutura foram desenvolvidos para descrever a microestrutura de filmes finos em função da temperatura homóloga (T_h), que é a razão entre a temperatura de deposição e a fusão temperatura. De acordo com esses modelos, uma condição necessária para a ocorrência de fases amorfas é que (T_h) seja menor que 0,3. A temperatura de deposição deve ser inferior a 30% da temperatura de fusão.

Supercondutividade

Metais amorfos têm baixa resistência, mas alta resistência

Em relação às suas aplicações, as camadas metálicas amorfas desempenharam um papel importante na descoberta da supercondutividade em metais amorfos feita por Buckel e Hilsch. A supercondutividade de metais amorfos, incluindo filmes finos metálicos amorfos, é agora entendida como sendo devida ao pareamento de Cooper mediado por fônons. O papel da desordem estrutural pode ser racionalizado com base na teoria de supercondutividade de Eliashberg de acoplamento forte.

Proteção térmica

Sólidos amorfos geralmente exibem maior localização de portadores de calor em comparação com cristalinos, dando origem a baixa condutividade térmica. Produtos para proteção térmica, como revestimentos de barreira térmica e isolamento, dependem de materiais com condutividade térmica ultrabaixa.

Usos tecnológicos

Atualmente, os revestimentos ópticos feitos de TiO2, SiO2, Ta2O5 etc. (e combinações destes) na maioria dos casos consistem em fases amorfas desses compostos. Muita pesquisa é realizada em filmes amorfos finos como uma camada de membrana de separação de gás. O filme amorfo fino tecnologicamente mais importante é provavelmente representado por camadas finas de SiO₂ de poucos nm servindo como isolador acima do canal condutor de um transistor de efeito de campo semicondutor de óxido de metal (MOSFET). Além disso, o silício amorfo hidrogenado (Si:H) é de importância técnica para células solares de película fina.

Uso farmacêutico

Na indústria farmacêutica, algumas drogas amorfas demonstraram oferecer maior biodisponibilidade do que suas contrapartes cristalinas como resultado da maior solubilidade da fase amorfa. No entanto, certos compostos podem sofrer precipitação em sua forma amorfa in vivo, e podem então diminuir a biodisponibilidade mútua se administrados juntos.

Nos solos

Materiais amorfos no solo influenciam fortemente a densidade aparente, a estabilidade agregada, a plasticidade e a capacidade de retenção de água dos solos. A baixa densidade a granel e as altas taxas de vazios devem-se principalmente a fragmentos de vidro e outros minerais porosos que não se tornam compactados. Os solos Andisol contêm as maiores quantidades de materiais amorfos.

Fase

A ocorrência de fases amorfas tornou-se um fenômeno de particular interesse para o estudo do crescimento de filmes finos. O crescimento de filmes policristalinos é freqüentemente usado e precedido por uma camada inicial amorfa, cuja espessura pode atingir apenas alguns nm. O exemplo mais investigado é representado pelas moléculas não orientadas de filmes finos de silício policristalino. Policristais em forma de cunha foram identificados por microscopia eletrônica de transmissão para crescer fora da fase amorfa somente após esta ter excedido uma certa espessura, cujo valor preciso depende da temperatura de deposição, pressão de fundo e vários outros parâmetros do processo. O fenômeno foi interpretado na estrutura da regra de estágios de Ostwald, que prevê a formação de fases para prosseguir com o aumento do tempo de condensação em direção ao aumento da estabilidade.