A importância da cristalografia em nossas vidas diárias

Difratômetros de raios X são os principais instrumentos usados para estudar as propriedades cristalográficas da matéria. Neste blog, daremos alguns exemplos da importância da cristalografia em nosso dia a dia.

Muitas substâncias encontradas na natureza são cristalinas. Cristais que aparecem na natureza, como resultado de atividades vulcânicas, se formam sob alta pressão ou se cristalizam a partir da água.

Aqui, você vê belos cristais de gesso que cresceram por milhares de anos, bem no fundo da terra. Eles foram encontrados alguns anos atrás, por acaso, durante atividades de mineração em Naica, México. Esses cristais são extraordinariamente grandes; eles têm metros de comprimento. Note a pequena figura humana no canto inferior direito da imagem.

Na maioria dos casos, no entanto, os cristalitos encontrados na natureza são muito menores. A maioria das rochas, solos e areias consiste em pequenas partículas submilimétricas, como rochas contendo ferro.

Se você fizesse uma seção transversal de um fragmento de rocha em preparação para o microscópio óptico, veria os pequenos domínios cristalográficos nas rochas. As propriedades cristalográficas de tais rochas podem ser investigadas com um difratômetro de raios X (XRD) como o difratômetro multiconfiguração Empyrean. O Empyrean é destinado à análise de pós, filmes finos, nanomateriais e objetos sólidos.

Um único cristal desvia raios X em belos padrões de difração. A lei de Bragg determina em que ângulo um único cristal dará um sinal de difração. Além disso, materiais policristalinos ou pós também fornecem padrões de difração. Dos muitos pequenos cristalitos contidos no pó, apenas aqueles com a orientação correta fornecerão sinais fortes de difração. Como o sinal de difração virá de múltiplos cristalitos, o padrão de pó também pode ser usado para determinar a constituição de misturas.

A linha vermelha que você vê aqui é um difratograma. Ele consiste em muitos picos registrados em função do ângulo de difração. A partir da posição angular dos picos, os diferentes componentes de uma mistura, também chamados de fases na mistura, podem ser determinados. A partir da intensidade relativa dos picos, pode-se calcular a abundância relativa das fases. Um padrão de pó é como uma impressão digital única do material; tal difratograma também pode ser obtido de objetos sólidos, como rochas e metais. Esses objetos consistem internamente em muitos pequenos cristalitos e produzem seus próprios padrões de pó únicos. Difratogramas de pó podem ser registrados para muitas das substâncias que encontramos no mundo ao nosso redor. Esses materiais determinam a qualidade de nossas vidas diárias. Vamos dar uma olhada na importância de se entender a cristalografia de pós e outras misturas cristalinas.

Cimento, um material entediante?

Cimento é o principal material de construção para os edifícios em que vivemos, desde os tempos romanos. Você sabia que a trabalhabilidade, o tempo de cura e a resistência final do concreto são determinados pelas propriedades cristalográficas do cimento? Para ser mais preciso, a qualidade dos edifícios que criamos é determinada pelas mudanças de fase cristalográficas durante o endurecimento do cimento – um processo ainda não totalmente compreendido pelos cientistas de hoje!

Cimento é feito aquecendo calcário e outras matérias-primas em um forno rotativo longo chamado forno. No forno, as substâncias sofrem alterações cristalográficas em temperaturas de até 1.400 graus Celsius, resultando em um material chamado clínquer, que é moído posteriormente e misturado com outros constituintes para criar cimento. A fabricação de cimento resulta em emissão significativa de dióxido de carbono, CO₂, um dos gases responsáveis pelo aquecimento global. Para cada quilograma de cimento, quase um quilograma de CO₂ é produzido, criando cerca de 5 por cento das emissões de CO₂ de atividades humanas. É a segunda fonte de emissão de CO₂ após a geração de energia.

Da emissão total de CO₂ no processo de produção de cimento, a maioria (60%) vem da calcinação do calcário, 30% vem do combustível necessário para aquecer o forno. Os 10% finais são necessários para a moagem do clínquer, o transporte do material através das plantas, e assim por diante. As tentativas de reduzir a emissão de CO₂ se concentram em dois aspectos:

• Primeiro, fazer cimento com menos clínquer. Subprodutos industriais como cinzas volantes de usinas de energia ou escórias de altos-fornos de produção de ferro são usados para isso. Esses materiais também têm um efeito cimentício.
• Em segundo lugar, combustíveis alternativos podem ser usados para aquecer o forno, como lixo plástico, carcaças de animais ou pneus de carros usados, mas eles também influenciam as propriedades do cimento.

Compreender as propriedades cristalográficas do cimento é essencial para produzir cimento com baixas emissões de CO₂.

Otimização do minério de ferro na mineração

Outro material importante em nossas vidas diárias é o ferro. O ponto de partida para todo o ferro é o minério que é extraído do solo em minas. A qualidade do minério em uma mina nunca é constante. Ela foi determinada milhões de anos atrás, quando as rochas foram formadas. A maneira clássica e simples de determinar a qualidade do minério é por inspeção visual: comparar a cor do desconhecido com um conjunto de referência. A partir de tal inspeção visual, diferentes partes do corpo do minério podem ser classificadas como de baixo ou alto teor.

No entanto, determinando a cristalografia, uma classificação muito mais fina do corpo do minério pode ser feita. Usando essa abordagem, é possível classificar muito melhor os materiais extraídos em diferentes categorias e misturá-los para criar um intermediário que seja muito mais constante em qualidade; isso aumenta a rentabilidade das atividades de mineração, pois menos resíduos são criados e reduz-se o dano ao meio ambiente.

Vamos falar sobre tensão

Quando você está em um avião viajando, já se perguntou por que as janelas do avião são ovais e não retangulares? Aviões e outras máquinas estão sujeitos a cargas cíclicas durante operações como decolagem e pouso. Após muitas cargas repetidas, rachaduras podem se formar na superfície, que podem de repente propagar-se por toda a estrutura, causando falhas: o chamado fadiga do metal. A fadiga do metal não era totalmente compreendida quando os primeiros aviões a jato comerciais foram construídos. O de Havilland Comet foi um exemplo de tal avião a jato que foi construído nos anos 50. Após uma introdução bem-sucedida do avião, dois desses aviões caíram após mais de um ano de operação bem-sucedida, vários acidentes catastróficos no ar ocorreram em um curto período de tempo. Todos os aviões foram aterrados, e a investigação começou.

As cargas repetidas sobre a fuselagem do avião foram simuladas colocando um dos aviões remanescentes em um tanque de água – que foi repetidamente pressurizado e despressurizado. Após mais de três mil ciclos, o avião de repente explodiu. A investigação mostrou que uma rachadura por fadiga havia ocorrido no canto de uma janela retangular. Das tensões simuladas na estrutura da janela, pode-se ver que essas tensões são muito maiores em cantos retangulares do que nos arredondados. Então, hoje em dia, as janelas dos aviões têm cantos arredondados.

Uma melhoria adicional dos componentes mecânicos em aviões e outras máquinas foi obtida pela geração deliberada de tensões residuais compressivas na superfície dos componentes metálicos, fazendo com que as micro-fissuras permanecessem fechadas e, portanto, reduzindo a chance de fadiga do metal. Hoje em dia, peças metálicas passam por tratamento de shot peening, o que adiciona essa tensão compressiva à superfície superior, e os problemas de fadiga de metal são amplamente superados. Compreender a deformação cristalográfica e a medição por difração de raios X são essenciais para fazer as máquinas seguras e duradouras que usamos em nosso dia a dia.

Eletrônicos

Mais uma vez, outra área: dispositivos microeletrônicos, como computadores e celulares, também se tornaram parte essencial de nossas vidas diárias, especialmente para a geração mais jovem. Os celulares tornaram-se tão pequenos e poderosos devido à nossa compreensão da cristalografia. Com esse entendimento, criamos baterias menores e mais poderosas, bem como componentes energeticamente eficientes, como a iluminação de fundo das telas dos nossos celulares. A iluminação de fundo dos celulares é feita de nitreto de gálio (GaN), um material semicondutor. Esses dispositivos de iluminação consistem em muitas camadas finas que devem ter as propriedades cristalográficas corretas para um bom funcionamento do dispositivo. Vamos dar uma olhada no crescimento controlado de cristais.

Backlights de GaN, como outros componentes microeletrônicos, consistem em muitas camadas de diferentes materiais que são cultivadas em substratos monocristalinos em reatores de deposição química de vapor. Dependendo das condições de crescimento no reator, essas camadas podem ser relaxadas: não há relação com a estrutura cristalina do substrato ou com tensão: a camada é deformada e combina com a estrutura cristalográfica do substrato. Essas camadas com tensão são essenciais para o funcionamento correto do dispositivo. A difração de raios X é usada para avaliar a qualidade cristalográfica dessas camadas. LEDs bem-produzidos resultam em telas de celulares duradouras e eficientes em termos energéticos. Mais uma vez, a compreensão da cristalografia é essencial para nossas vidas diárias.

Aperfeiçoando os produtos farmacêuticos

O crescimento e o envelhecimento da população mundial exigem a disponibilidade de materiais farmacêuticos para todos. Compreender a cristalografia de produtos farmacêuticos é essencial para o desenvolvimento e produção de medicamentos seguros. A molécula rotativa é a Talidomida, um medicamento desenvolvido nos anos 50, que foi descoberto ter efeitos adversos em crianças não nascidas. Uma propriedade cristalográfica comum em moléculas orgânicas é o polimorfismo: a capacidade da molécula de cristalizar em diferentes formas.

Aqui, você vê duas formas de indometacina, um analgésico poderoso. Precisamos entender essas formas cristalográficas para fazer medicamentos seguros. Medindo a cristalografia, também podemos verificar a autenticidade do medicamento. A falsificação de produtos farmacêuticos é um problema comum e uma ameaça potencial à segurança de nossa população. A falsificação é menos arriscada do que o tráfico de narcóticos.

Aqui você vê difratogramas de indometacina alfa e gama. Como os dois polimorfos têm estruturas cristalinas diferentes, ambos os difratogramas são diferentes. A difração de raios X em pó é a única ferramenta para distinguir prontamente entre diferentes polimorfos de um composto.

Cristais na sua comida

A cristalografia também é importante para alimentar nossa população crescente. Fertilizantes são essenciais hoje em dia para melhorar o rendimento agrícola. Compreender a cristalografia dos solos e fertilizantes ajuda a otimizar o fertilizante para as culturas que serão cultivadas.

Acesso à água potável é um problema crescente em muitas áreas do mundo. A água em nossos rios é frequentemente muito poluída ou usada para irrigação, causando escassez de água para a população a jusante. Fazer água potável a partir do mar, a chamada dessalinização, é uma atividade em crescimento. Compreender a cristalografia das membranas e filtros é importante para construir plantas dessalinizadoras com consumo reduzido de energia. Finalmente, substâncias cristalográficas estão presentes em muitos alimentos que consumimos. Chocolate é uma substância cristalográfica saborosa. Portanto, a cristalografia não é apenas essencial para nossas vidas diárias, ela também adiciona sabor.

Neste blog, eu mostrei a você que a cristalografia é essencial em vários aspectos de nossas vidas diárias. Você é bem-vindo para aprender mais sobre cristalografia em nossas vidas diárias no site da Malvern Panalytical.

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