CIÊNCIA DOS MATERIAIS I: O VIDRO

A forma como as moléculas se organizam estruturalmente em um material determinam muitas das características e propriedades de um material, incluindo características como transparência e propriedades mecânicas. Esse é um assunto bem extenso e que pode ser também complexo. Por isso, nessa série de textos falaremos de alguns exemplos do nosso dia-a-dia apenas para gerar reflexão sobre o assunto na prática.

Na série de textos de Termodinâmica, falamos sobre como as características dos átomos e moléculas afetam suas características e sua interação com outros materiais. Mas o arranjo dos átomos e moléculas estruturalmente também é muito importante na determinação das características desse material e no que diz respeito à sua interação com outros materiais.

Nessa série de textos, falaremos um pouco sobre isso de forma bem prática, usando como base dois estudos de caso: o vidro e o princípio de materiais antiaderentes, como o Teflon®. Por fim, no último texto falaremos sobre adesivos, comparando colas e fitas em aplicações industriais e do dia-a-dia.

Primeiramente, devemos saber que o primeiro critério utilizado para classificar os materiais é o tipo de ligações químicas presentes entre as moléculas desses materiais, que podem ser metálicas, iônicas ou covalentes. Os materiais com ligações metálicas são os metais, aqueles com ligações covalentes são os polímeros, enquanto aqueles com ligações iônicas são os chamados materiais cerâmicos.

Mas, mesmo materiais que possuem o mesmo tipo de ligação entre as moléculas, podem ter propriedades e caraterísticas diferentes, dependendo de como as moléculas arranjam-se. Por exemplo, tanto o vidro quanto a cerâmica possuem ligações iônicas, isto é, o vidro até pode ser considerado um tipo de material cerâmico, mas ele possui características muito diferentes da maior parte dos outros materiais que conhecemos como cerâmicos. Por quê?

Para entender essa diferença, devemos falar da composição do vidro e como o processamento da matéria-prima altera o arranjo estrutural das moléculas. A principal matéria-prima para a fabricação de vidro é a areia. Na areia encontram-se moléculas de dióxido de silício, que estão arranhadas em estruturas regulares conhecidas como quartzo. Para fazer o vidro, a areia é submetida a altas temperaturas, até obter-se um material fundido e possível de ser moldado para dar origem ao vidro em suas mais diferentes formas.

Quando as estruturas de quartzo são aquecidas a altas temperaturas, as moléculas vibram e as ligações que mantêm as moléculas juntas, se quebram, dando origem ao líquido fundido. Acontece que, após fundidas, as moléculas de dióxido de silício perdem a capacidade de rearranjar-se em uma estrutura regular de um cristal quando resfriados. Conforme as moléculas perdem energia, elas se tornam menos capazes de mover-se para formar uma estrutura regular e o resultado é um sólido amorfo, isto é, um sólido que possui uma organização caótica das moléculas, como as de um líquido, o que permite que as moléculas possam preencher espaços vazios livremente. Assim, microscopicamente, o vidro possui um aspecto uniforme e homogêneo. A Figura 1 a seguir mostra as diferenças de estrutura das moléculas de dióxido de silício, arranjadas originalmente em uma estrutura regular (cristal) no quartzo e em uma estrutura amorfa no vidro.

Figura 1: As moléculas do dióxido de silício organizadas em forma de cristal no quartzo e posteriormente em estrutura amorfa no vidro

E por que o vidro é transparente? Bem, essa é outra história, um pouquinho mais complexa. A transparência de um material está ligada à sua capacidade de absorver a luz visível. E isso está ligado aos níveis de energia (um pouquinho de Química Quântica, mas não se assuste).

Primeiramente, sabemos que a quantidade de energia presente em um fóton de luz depende de seu comprimento de onda. No espectro de luz, podemos saber se determinado comprimento de onda está na região visível do espectro, ou nas regiões não visíveis, que incluem as luzes ultra-violeta e infra-vermelho.

Figura 2: Espectro de luz mostrando os comprimentos de onda da luz visível com as respectivas cores

Agora que já temos isso em mente, podemos pensar atomicamente. Sabemos que os elétrons estão orbitando em torno do núcleo. Esse arranjo de átomos orbitando em torno do núcleo se dá como se cada átomo estivesse em camadas, tendo, cada camada, um determinado nível de energia.

Figura 3: Esquema dos elétrons ao redor do núcleo do átomo em camadas com determinado nível de energia

Quando a luz incide sobre o material, os fótons presentes naquela luz fornecem energia para o elétron. Os elétrons podem, então, absorver essa energia e passar para níveis maiores de energia. Mas para que isso ocorra é preciso que o fóton tenha a quantidade suficiente de energia para que um elétron possa ir para uma camada mais energética. Caso contrário, o fóton passará pelo material sem ter sido absorvido.

No caso do vidro, cada nível de energia está tão distante dos outros que a energia dos fótons de luz visível não é suficiente para fazer um elétron “pular” para um nível mais energético. Por outro lado, fótons de luz que se encontra na faixa do ultra-violeta, sim. Por isso, raios ultra-violeta são absorvidos pelo vidro. Como curiosidade, caso você esteja dentro de uma cabine feita de vidro, por exemplo, não irá se queimar ao sol, mesmo que o vidro seja transparente.

Todas essas propriedades do vidro fizeram com que, ao longo da história, ele fosse ganhando as mais diversas aplicações industriais e em nosso dia-a-dia, como nos óculos, telescópios, janelas etc.

Vamos entender qual é o princípio dos óculos e como o vidro ajuda pessoas que têm algum problema de visão a enxergar melhor?

Os problemas de visão são causados por erros de refração apresentados por nossos olhos. A refração é a habilidade de materiais transparentes de mudarem a direção do feixe de luz que passa através dele.

Nossos olhos também possuem essa capacidade de refração, pois eles possuem duas superfícies refratoras, a córnea e o cristalino. Normalmente, ambos trabalham juntos na refração da luz, garantindo que a luz seja focada exatamente na retina, que é uma camada de tecido sensível à luz localizada na parte posterior do olho, que trabalha com o cérebro na formação da imagem. A lente ocular é flexível e pode mudar de forma para focar as imagens. É essa capacidade de acomodação que auxilia a focar objetos quando mudamos o olhar de fora para longe.

Mas muitas pessoas desenvolvem erros na refração da luz, principalmente na infância, quando os os olhos estão se formando, ou por volta dos 40 anos, quando começam a envelhecer.  Nesses casos, ao invés da luz refratada ser focada na retina, ela é focada atrás ou na frente, o que faz com que as imagens tenham pareçam desfocadas. Existem basicamente 4 tipos de erros de refração que ocorrem, gerando quatro problemas conhecidos de visão:

  • Miopia: ocorre quando a luz é muito refratada e o foco do ponto da luz é na frente da retina, fazendo com que objetos próximos tenham foco, mas objetos distantes fiquem fora de foco.
  • Hipermetropia: ocorre quando a luz é pouco refratada e o foco do ponto da luz é atrás da retina, fazendo com que objetos distantes tenham foco, mas objetos próximos fiquem fora de foco.
  • Astigmatismo: ocorre quando a córnea não tem um formato esférico perfeito, o que faz com que todos os objetos pareçam fora de foco, estejam perto ou longe.
  • Presbiopia: Conforme envelhecemos, a lente começa a perder sua flexibilidade e capacidade de acomodação, não conseguindo mudar de forma quando tenta-se olhar para objetos próximos.

Atualmente, esses problemas podem ser corrigidos com o auxílio de óculos ou lentes. O vidro, sendo um material transparente que apresenta capacidade de refração, consegue refocar a luz, fazendo com que seu ponto de foco seja exatamente sobre a retina. A forma da lente a ser utilizado (côncava ou convexa) depende do tipo de correção a ser feito e as lentes devem ser feitas sob medida para cada pessoa, dependendo do grau do erro de refração. Algumas cirurgias podem corrigir esses problemas utilizando laser para mudar o formato da córnea e alterar suas propriedades de refração. Na Figura 4 são esquematizados a refração da luz nos olhos numa visão normal e os erros de refração bem como sua correção com lentes.

Figura 4: Esquema da refração da luz nos olhos no caso de uma visão normal e diferentes erros de refração que podem ocorrer e como são corrigidos com o uso de lentes

Esse foi só um exemplo de como algumas características estruturais de um material determinam suas características e propriedades, e tornam possível o seu uso para diversas aplicações que podem mudar a nossa vida. Se você usa óculos, provavelmente dará mais importância ao vidro após ler esse texto. E não se esqueça: se você não quer pegar um bronzeado, pode se proteger em uma cabine de vidro! No próximo texto falaremos um pouco de materiais antiaderentes.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS:

Ted Ed. Why is glass transparent? – Mark Miodownik

Ted Ed. How do glasses help us see? – Andrew Bastawrous and Clare Gilbert

Para ler os outros textos da Série Ciência dos Materiais, acesse os links abaixo.