O física de estado sólido é o ramo da física que lida com o estudo da matéria quando ela está em um estado de baixa energia, denominado Estado sólido, usando teorias físicas, como mecânica quântica, física estatística, termodinâmica, eletromagnetismo e cristalografia.
No estado sólido, a energia de atração intermolecular é menor que a energia térmica, portanto as moléculas dificilmente podem vibrar em torno de posições mais ou menos fixas. Alguns sólidos são amorfos no nível molecular, enquanto outros têm uma estrutura mais ordenada, como os cristais..
Alguns exemplos de materiais sólidos são areia de sílica, vidro, grafite (carvão mineral), sal comum, açúcar refinado, ferro, cobre, magnetita, quartzo e muitos mais.
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Os materiais sólidos têm como principal característica que, em condições normais, ou seja, se não forem submetidos a grandes tensões externas, mantêm seu volume e forma..
Isso contrasta com os líquidos que, embora possam manter seu volume, mudam de forma adaptando-se ao recipiente que os contém. O contraste é ainda maior com gases, uma vez que podem ser comprimidos ou expandidos mudando seu volume e forma..
No entanto, os sólidos podem variar seu volume quando são submetidos a mudanças de temperatura amplas o suficiente para ter efeitos notáveis, mas sem uma transição de fase para outro estado da matéria..
Os sólidos podem ser amorfos em sua estrutura molecular interna. Por exemplo, o vidro é um material amorfo, mesmo considerado por muitos como um líquido super-resfriado. Porém, o quartzo e o diamante apresentam uma estrutura cristalina, ou seja, seus átomos seguem arranjos regulares e espacialmente periódicos..
A física do estado sólido estuda a relação entre propriedades na escala macroscópica (milhares ou milhões de vezes maiores que a escala atômica) e propriedades na escala molecular ou atômica..
No sólido, os átomos estão muito próximos e a interação entre eles determina suas propriedades em macroescala, como suas características mecânicas: rigidez e ductilidade, bem como suas propriedades térmicas, magnéticas, ópticas e elétricas..
Por exemplo, condutividade, capacidade de calor e magnetização são propriedades macroscópicas de sólidos que dependem diretamente do que acontece em escala molecular ou atômica..
Um exemplo claro da importância da física sólida são os semicondutores. O entendimento de suas propriedades no nível microscópico permite o desenvolvimento de dispositivos como transistores, diodos, circuitos integrados e LEDs, apenas para citar algumas aplicações..
Dependendo das condições de pressão e temperatura, bem como dos processos seguidos durante sua formação, os materiais sólidos adquirem uma certa estrutura microscópica..
Por exemplo, materiais tão diferentes como grafite e diamante são compostos apenas por átomos de carbono. Mas suas propriedades são completamente diferentes, porque apesar de serem compostas do mesmo tipo de átomos, suas estruturas microscópicas diferem enormemente..
Os especialistas em metalurgia sabem que, a partir do mesmo material, com diferentes tratamentos térmicos, se obtêm resultados muito diferentes na fabricação de peças, como facas e espadas. Diferentes tratamentos levam a diferentes estruturas microscópicas.
Dependendo de sua formação, os sólidos podem apresentar basicamente três tipos de estruturas microscópicas:
A física dos sólidos é baseada em princípios fundamentais para explicar as propriedades dos materiais sólidos, como a condutividade térmica e a condutividade elétrica..
Por exemplo, ao aplicar a teoria cinética a elétrons livres em um metal, eles são tratados como se fossem um gás..
E partindo do pressuposto de que os íons formam um substrato imóvel, é possível explicar tanto a condutividade elétrica quanto a condutividade térmica dos metais. Porém, na versão clássica deste modelo, a condutividade térmica dos elétrons livres é maior do que a obtida em medições em materiais condutores..
A desvantagem é resolvida com a introdução de correções quânticas no modelo de elétron livre de um sólido condutor. Além disso, se eles forem assumidos para seguir a estatística de Fermi-Dirac, então as previsões teóricas concordam mais precisamente com as medições experimentais..
No entanto, o modelo de elétron livre não pode explicar a condutividade térmica de outros sólidos além dos metais..
Nesse caso, deve-se levar em consideração a interação dos elétrons com a rede cristalina, modelada por um potencial periódico da equação de Schrodinger. Este modelo prevê bandas de condução de elétrons dependentes de energia e explica a condutividade elétrica em sólidos semicondutores, um tipo de sólido intermediário entre o isolante e o metal condutor..
A física do estado sólido evoluiu a ponto de permitir a descoberta de novos materiais, como nanomateriais sólidos com propriedades únicas e extraordinárias.
Outro exemplo de caso no avanço da física dos sólidos é o desenvolvimento de materiais bidimensionais ou monocamada, seguido por diversas aplicações, como células fotovoltaicas e o desenvolvimento de circuitos integrados de semicondutores..
O exemplo clássico de um material bidimensional é o grafeno, que nada mais é do que grafite de camada única e que foi obtido pela primeira vez em 2004.
Outros exemplos de sólidos bidimensionais são: fosforeno, plumben, siliceno e germaceno.
A supercondutividade foi descoberta em 1911 pelo holandês Kamerlingh Onnes (1853-1926) quando ele sujeitou materiais condutores como mercúrio, estanho e chumbo a temperaturas muito baixas (da ordem de 4K)..
A supercondutividade tem importantes aplicações tecnológicas, como trens de levitação magnética, desde que possa ser obtida em temperaturas elevadas (idealmente em temperatura ambiente).
A física sólida está em busca de supercondutores, o que significa alta temperatura acima da temperatura do nitrogênio líquido (77 K), uma temperatura relativamente fácil e barata de se obter. Até o momento, o supercondutor de temperatura mais alta é um sólido cerâmico que atinge esse estado a uma temperatura de 138 K ou -135ºC..
Sólidos fortemente correlacionados são compostos fermiônicos pesados que possuem propriedades incomuns e grande potencial tecnológico. Por exemplo, eles podem ser manipulados para ir de isoladores a condutores por meio de campos magnéticos.
O desenvolvimento desse tipo de sólido também permitiu que dispositivos de armazenamento de informações magnéticas aumentassem exponencialmente sua capacidade nas últimas décadas..
Exemplos de sólidos.
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