Cristais

Por: Prof. Marcus Cabral

Quando se fala em cristal, provavelmente todas as pessoas têm uma ideia bastante clara do que se está falando. Mas essa palavra é muitas vezes fonte de enganos e falsos conceitos.

Estrutura atômica do vidro e do cristal

Substância Cristalina

Uma das propriedades características dos minerais é a estrutura cristalina. Ao contrário das substâncias amorfas, como madeira, plásticos e vidros, as substâncias cristalinas possuem um arranjo ordenado dos átomos, íons ou moléculas que a constituem. Esse empilhamento regular dos átomos é que explica as faces planas dos cristais. 

A matéria cristalina assemelha-se a um bloco feito de tijolos. Cada espécie mineral tem um tipo de tijolo, chamado célula unitária, que se repete ordenadamente em todas as direções. 

Na formação dos vidros, o resfriamento se dá rapidamente e, com isso, os átomos perdem mobilidade antes que tenham tido tempo de se empilhar de maneira ordenada. Um exemplo é a obsidiana, um vidro natural de origem vulcânica. Ela é estudada com os minerais, mas não tem estrutura cristalina (daí ser considerada um mineraloide).

Cristal

A palavra cristal vem do grego krustallos e significa tanto gelo quanto quartzo. Antigamente pensava-se que o quartzo incolor fosse gelo supercongelado, de modo que nunca derretia.

O estudo dos cristais é chamado de cristalografia.

Sabendo o que é substância cristalina, podemos dizer que cristal é um corpo formado de matéria cristalina, em virtude da qual pode exibir externamente faces planas. Essas faces aparecerão na sua totalidade quando a cristalização se der em condições geológicas ideais, sem que o crescimento de um cristal interfira no crescimento de outro, por exemplo.

Um mineral é, por definição, uma substância inorgânica, mas um cristal não o é necessariamente, pois há cristais orgânicos, como os de açúcar, por exemplo. 

As formas dos cristais são muito variadas e vão desde um cubo simples, como o cristal de pirita da foto 1, até formas muito complexas, como as da fenaquita ou de algumas granadas, por exemplo.

O quartzo que se vê na foto 3 combina um prisma vertical de seis faces com pirâmides nas extremidades. A foto 2 mostra magnetita na forma de octaedros, forma que equivale a duas pirâmides de base quadrada unidas por essa base.

Foto 1 - cubo de pirita

Foto 2 - octaedros de magnetita

Foto 3 - combinação de prisma e pirâmides no quartzo

Os cristais são poliedros convexos (Lei da Convexidade), ou seja, sem reentrâncias. Se um cristal mostrar alguma reentrância, trata-se de um agrupamento de pelo menos dois cristais. 

As faces dos cristais são planas e limitadas por arestas retilíneas (Lei das Faces Planas). Uma forma cristalina tem um número de faces geralmente par e não maior que 48 (Lei do Número de Faces). Se a quantidade de faces for maior que 48, trata-se de uma combinação de formas e não uma forma simples. A única forma cristalina de 48 faces que se conhece é o hexaoctaedro, encontrada em granadas. 

Nem sempre os cristais aparecem na natureza completos, com todas as suas faces. Aliás, na maioria das vezes eles não são perfeitos assim. Por isso, eles são classificados em euédricos (os que possuem todas as faces), subédricos (os que possuem algumas, mas não todas) e anédricos, se não mostram nenhuma face cristalina.

Foto 4 - cristal euédrico de granada

Foto 5 - cristais subédricos de topázio

Foto 6 - cristal anédrico de ouro

Alguns minerais habitualmente aparecem na natureza em cristais bem formados. São exemplos as granadas, a pirita e as turmalinas. Outros raramente aparecem assim, sendo na grande maioria das vezes maciços. Ex.: malaquita, quartzo rosa, calcopirita e bornita. O quartzo incolor, visto na foto 3, é usualmente chamado de cristal de rocha. É uma denominação infeliz, uma vez que minerais formam cristais e as rochas são formadas de minerais. Assim, chamar um mineral de cristal de rocha é algo como chamar uma fruta de fruta de árvore. 

Mas, apesar de inadequada, a denominação é muito usada em português, inglês (rock crystal), italiano (cristallo di rocca), espanhol (cristal de roca), francês (cristal de roche) etc. 

Assim, admite-se seu uso por já estar consagrado. Mas o que é condenável é chamar o quartzo incolor de cristal apenas, como se vê muitas vezes no Brasil.

Formação dos Cristais

Os cristais podem formar-se de quatro maneiras diferentes: 

a) A partir de uma solução – um exemplo são os sais dissolvidos na água. À medida que a água evapora, vai aumentando a concentração de sal até um ponto em que ele começa a precipitar na forma de cristais.

b) A partir de uma fusão – são os cristais que se formam quando ocorre o resfriamento do magma (no interior da crosta) e da lava (na superfície).

c) A partir de vapores – como os cristais de neve ou outros, formados em exalações vulcânicas.

d) Por recristalização – nos processos metamórficos, quando um mineral se transforma em outro, sem deixar o estado sólido.


Arranjos Cristalinos

 

Assim como frutas podem se reunir em cachos ou pencas, os cristais podem aparecer agrupados.

Quando eles crescem aproximadamente paralelos uns aos outros sobre uma superfície plana, constituem uma drusa. 

Se revestem a parte interna de uma cavidade, crescendo a partir da parede rumo ao centro da cavidade, constituem um geodo. 

Dependendo da pressão dos gases na formação dos cristais, a drusa ou o geodo terá poucos cristais de grande tamanho (pressão baixa) ou muitos cristais de pequeno tamanho (pressão alta).

Drusa de citrino

Geodo de ametista (serrado ao meio)

Produzindo Cristais em Casa
 

Um belo e delicado arranjo cristalino pode ser produzido em casa. Mistura-se água e sulfato de amônia em um recipiente ao qual se adiciona uma pedra para servir de base e deixa-se o recipiente sem tampa e em absoluto repouso por duas a três semanas (vai depender da temperatura e da umidade do ar). A solução deve cobrir a pedra, de modo que o tamanho do recipiente deve ser escolhido prevendo-se isso.

Com o passar do tempo, a água vai evaporando e cristais vão se formando sobre a pedra. Os cristais abaixo foram obtidos pelo autor dessa maneira. (Também cristais de açúcar bem maiores do que aqueles usados para adoçar alimentos podem ser obtidos em casa.)

Cristal Sintético

Cristal Sintético

Cristais Líquidos

Dá-se o nome de cristal líquido a um material que se apresenta num estado especial da matéria, entre líquido e sólido, chamado estado mesomórfico. 

Nesse estado, a matéria apresenta propriedades físicas típicas dos líquidos, como fluidez e mobilidade molecular, mas também dos sólidos, como birrefringência e anisotropia óptica e elétrica.

Os cristais líquidos foram descobertos em 1888 pelo botânico austríaco Friederich Reinitzer em tecidos vegetais. Eles são geralmente orgânicos e com uma dimensão maior que as demais, tendo forma de bastões ou discos. 

Os cristais líquidos têm ampla utilização em eletrônica, por exemplo na fabricação de telas de televisão, monitores diversos, painéis de leitura em aparelhos eletrodomésticos, calculadoras, relógios e termômetros.

Cristal Que Não é Cristal
 

Existe um material amplamente conhecido como cristal, mas que não se trata de matéria cristalina. Quando se fala em copo de cristal, lustre de cristal, vaso de cristal etc. o que se está descrevendo é um vidro de alta qualidade, ao qual se adiciona elevada porcentagem de óxido de chumbo para obter mais brilho.

Pela semelhança com os cristais incolores é chamado de cristal, mas são objetos que não possuem estrutura cristalina, e sim amorfa. Aliás, uma das dificuldades para fabricação desses vidros é justamente impedir que eles cristalizem. Os famosos cristais da Boêmia e os cristais Swarovski são vidros de alta qualidade, não cristais.

Fontes
BRANCO, Pércio de Moraes. Dicionário de Mineralogia e Gemologia. São Paulo: Oficina de Textos, 2008. 608 p. il.

ESSÊNCIA dos cristais. IN: Rochas e minerais. Trad. Martin Ernesto Russso. Barcelona, Editorial Sol 90, 2007. 94p. il. p. 29.

NEVES, P. C. P. das et al. Fundamentos de cristalografia. 2 ed. Canoas (RS), Ulbra, 2011. 312p. il.

Fotos
Pércio de Moraes Branco.

Artigo de pesquisadores brasileiros sobre fósforo negro é um dos mais citados

18 de junho de 2018

Elton Alisson | Agência FAPESP – Depois do isolamento do grafeno, em 2004, outro material em escala nanométrica (da bilionésima parte do metro) também muito promissor despontou em razão de suas propriedades semicondutoras: o fósforo negro.

Um grupo de pesquisadores do Centro de Pesquisas Avançadas em Grafeno, Nanomateriais e Nanotecnologias (MackGraphe) da Universidade Presbiteriana Mackenzie – apoiado pela FAPESP – conseguiu explicar uma propriedade observada experimentalmente, mas até então não compreendida do fósforo negro.

Os resultados do estudo, feito em parceria com pesquisadores das universidades Federal de Minas Gerais (UFMG), Nacional de Singapura e de Antioquia (Colômbia) foram publicados em 2015 na revista ACS Nano, da American Chemical Society (ACS).

(A figura mostra uma representação artística de um floco de fósforo negro sendo iluminado por um laser verde. A luz vermelha representa a luz espalhada com energia diferente da incidente sendo que este efeito é conhecido como espalhamento Raman. Ao girar o cristal, as medidas de dependência angular deste efeito deveriam se comportar conforme a linha cinza mostrada no gráfico no final da luz vermelha, no entanto, comportam-se conforme os pontos verdes no mesmo gráfico / imagem: Henrique Bücker Ribeiro)

 

 

Há poucos meses, o artigo entrou na seleta lista dos 1% mais citados em comparação com outros trabalhos publicados em seu campo de estudo, de acordo com os Essential Science Indicators, elaborados pela Clarivate Analytics, do grupo Thomson Reuters.

“Conseguimos oferecer, com base em dados experimentais, explicação para um comportamento anômalo observado quando um laser incide sobre um cristal de fósforo negro e é espalhado inelasticamente. Percebemos que não só a intensidade da luz espalhada, mas também a sua fase [propriedade encontrada em todas as ondas] varia com o ângulo que a polarização da luz incidente faz com o cristal. A variação da fase é normalmente desconsiderada”, disse Christiano José Santiago de Matos, pesquisador do MackGraphe e um dos autores do estudo, à Agência FAPESP.
“A partir dessa explicação, outros pesquisadores que estudam fósforo negro e outros cristais similares começaram a citar nosso artigo, pois é essencial levar em consideração esse fenômeno para ajustar dados e compreender bem os resultados experimentais”, disse Matos.

O fósforo negro é um cristal com estrutura sanfonada, composta por camadas bidimensionais de fósforo empilhadas com apenas um átomo de espessura. O material apresenta uma característica chamada anisotropia, pela qual suas propriedades físicas variam dependendo da direção – ou ângulo – do cristal.
“Em uma direção, os átomos na estrutura do material estão dispostos de um jeito e em outra direção estão ordenados de forma diferente. Desse modo, ao medir, por exemplo, a condutividade elétrica do material em uma direção o resultado é um, e em outra direção o resultado é diferente”, explicou Henrique Bücker Ribeiro, pós-doutorando no MackGraphe com Bolsa da FAPESP e primeiro autor do artigo.

A fim de estudar esse fenômeno, os pesquisadores utilizaram espectroscopia Raman, técnica que permite obter informação química e estrutural de quase qualquer material por meio da análise da luz espalhada por ele.

A técnica consiste em incidir a luz de um laser sobre um material. A luz interage e perde energia para as vibrações do material, induzindo a redução da sua frequência. As energias de vibração de cada material são únicas e podem ser usadas como uma “impressão digital” dele, uma vez que cada material tem tipos de átomos diferentes, com ligações também específicas.
Ao analisar a luz espalhada ou refletida pelo material por meio dessa técnica é possível saber exatamente qual é a energia de vibração e, consequentemente, conhecer um cristal estudado.
“A espectroscopia Raman é uma técnica fundamental não só para caracterizar, mas também entender uma série de propriedades de materiais bidimensionais, como o grafeno”, disse Matos. Tais materiais têm espessura de um átomo até alguns poucos nanômetros, possuem propriedades únicas ligadas à sua dimensionalidade e são protagonistas do desenvolvimento da nanotecnologia e da nanoengenharia.
Ao analisar um cristal de fósforo negro por meio dessa técnica, contudo, a “impressão digital” ou espectro Raman do material varia com o ângulo da polarização da luz, o que é uma consequência da sua anisotropia.
“Isso ocorre não só com o fósforo negro, mas também com alguns outros materiais lamelares [com arranjo em camadas]”, disse Eunézio Antônio Thoroh de Souza, coordenador da área de Fotônica do MackGraphe e um dos autores do estudo.

Resposta incomum

Diferentemente de outros materiais anisotrópicos, no fósforo negro uma análise simplificada e amplamente usada, que despreza atrasos de fase do espectro Raman, era incapaz de explicar o comportamento observado em função do ângulo.

Os pesquisadores recordaram então que estudos antigos de cristais tridimensionais específicos apresentavam comportamento similar, e que era necessário, nesses casos, considerar o atraso de fase.
Com base nessa constatação, eles utilizaram essa mesma análise e conseguiram descrever o comportamento experimental. Além disso, encontraram duas explicações para o comportamento tão peculiar do fósforo negro. A primeira explicação é que o material, além de anisotrópico, é absorvedor de luz.
“Muitos outros materiais analisados por espectroscopia Raman não são absorvedores de luz e, caso sejam, são isotrópicos [o índice de refração é constante, não importando a direção considerada, ou seja, o raio de luz se propaga com a mesma velocidade independentemente da sua polarização]. Como o fósforo negro é ao mesmo tempo absorvedor e anisotrópico, isso pode fazer com que a resposta Raman seja complexa, apresentando variações de intensidade e fase, o que não é usual”, disse Matos.

A segunda explicação é mais complicada e envolve conceitos de mecânica quântica, que descrevem como a luz, os elétrons e as vibrações interagem entre si. “Depois desse nosso estudo esse comportamento foi demonstrado em outros materiais lamelares”, disse Ribeiro.

Contribuições da descoberta

Na avaliação dos pesquisadores do MackGraphe, as descobertas contribuem para caracterizar melhor o material, considerado extremamente promissor para futuras aplicações eletrônicas e optoeletrônicas.

O fósforo negro pode, por exemplo, ser usado em transistores, desempenhando as funções lógicas necessárias em sistemas digitais; em detectores de luz, transformando energia luminosa em corrente elétrica para sistemas de comunicações ópticas (fibra óptica) ou para células fotovoltaicas; e em novos emissores de luz para as comunicações ópticas.
“Entender a resposta do material e suas propriedades físicas é fundamental para usá-lo em um dispositivo”, disse Matos.

O artigo Unusual angular dependence of the Raman response in black phosphorus (doi: 10.1021/acsnano.5b00698), de Henrique B. Ribeiro, Marcos A. Pimenta, Christiano J. S. de Matos, Roberto Luiz Moreira, Aleksandr S. Rodin, Juan D. Zapata, Eunézio A. T. de Souza e Antonio H. Castro Neto, pode ser lido na revista ACS Nano em pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.5b00698.

O que é um mineral?

Segundo o geólogo especialista Sebastião O. Menezes em seu livro Minerais comuns e de importância econômica: um manual fácil, uma substância mineral é um sólido que ocorre naturalmente, formado por meio de processos geológicos. Uma espécie mineral é uma substância mineral com composição química e propriedades físicas bem definidas, que recebe um nome mineralógico único. Dessa forma, uma espécie mineral – ou seja, um mineral – pode ser definida com base em sua composição química e suas propriedades cristalográficas.

Podemos dizer, então, que um mineral é um corpo sólido, constituído por um elemento ou composto químico, de ocorrência natural e formado como um produto de processos inorgânicos.

A água (gelo, no estado sólido) e o mercúrio são dois minerais encontrados no estado líquido em condições normais de temperatura e pressão. As substâncias formadas por intervenção humana (substâncias antropogênicas) não são consideradas minerais, e as substâncias produzidas por processos biológicos (substâncias biogênicas) podem ou não ser consideradas minerais.

Mineral ou vegetal? Piromorfita Fonte: foto por Marc Soller. Flicker.

Somente algumas substâncias biogênicas que existem como minerais formados por processos geológicos são consideradas minerais válidos, como a aragonita e a calcita da concha de moluscos, a hidroxilapatita em dentes etc. Em geral, as diferentes espécies minerais apresentam-se sob a forma de poliedros limitados por faces planas, conhecidos pelo nome de cristais.

Minerais. Fonte: Halpern Mineral Collection, San Francisco. Flicker.

Os corpos que os constituem estão no estado cristalino da matéria, caracterizado por uma estrutura regular e periódica, expressa pela homogeneidade, isto é, pelo comportamento físico e químico idêntico de partes isorientadas, e pela anisotropia, ou seja, pela dependência que certas propriedades têm com relação à direção cristalográfica.

Todas as substâncias que possuem uma estrutura atômica ordenada e regular são chamadas de substâncias cristalinas. Por oposição ao estado cristalino, define -se um estado amorfo (não cristalino), que é aquele apresentado pelas substâncias sem estrutura interna ordenada.

Tudo a ver

 

Para entender mais sobre os fundamentos básicos da mineração, adquira o livro de Sebastião Menezes, Minerais comuns e de importância econômica: um manual fácil. Autor de mais de 50 trabalhos na área da Geociências, apresenta nesta obra um manual conciso que aborda, numa linguagem clara e acessível, os fundamentos básicos da Mineralogia e da Cristalografia.

Dividido em três partes, o livro apresenta primeiramente os principais conceitos envolvidos no estudo dos minerais, como composição química e propriedades físicas; formação e estrutura de materiais cristalinos; e classificação química dos minerais.

A segunda parte trata da utilização de minerais como recursos naturais e comenta sobre as reservas e a produção desses recursos no Brasil. Já a terceira parte da obra, super útil e prática, é uma chave para o reconhecimento de minerais comuns a partir de suas propriedades físicas e auxilia o leitor a responder à questão: “Que mineral é este?”.