Por que em muitos casos se deseja as impurezas/ desordem na rede cristalina de um metal no estado sólido?
Passo 1
O enunciado pergunta por que muitas vezes é interessante introduzir impurezas ou causar desordem na rede cristalina de um metal no estado sólido. O conteúdo aqui é Ciência dos Materiais, mais especificamente defeitos cristalinos e seus efeitos nas propriedades mecânicas e elétricas. Para resolver, vamos usar a teoria de deslocamentos (dislokações) em cristais e o conceito de fortalecimento por solução sólida e por pinning.
Passo 2
Definimos primeiro o que são impurezas e desordem: são átomos diferentes do metal hospedeiro (impurezas substitucionais ou intersticiais) ou defeitos como lacunas e deslocamentos de planos. Esses defeitos geram distorções locais na rede, alterando as distâncias interatômicas e gerando campos de tensões internas.
Passo 3
Uma das principais razões para introduzir esses defeitos é dificultar o movimento de dislokações. Dislokações são linhas de defeito que deslizam pelos planos cristalinos quando aplicamos uma tensão, gerando deformação plástica. As impurezas criam regiões de maior ou menor compressão da rede que interagem com as dislokações, exigindo mais energia (ou tensão) para que elas se desloquem.
Esse fenômeno é chamado de fortalecimento por solução sólida: ao adicionarmos uma certa concentração de átomos estranhos, o metal torna-se mais resistente (aumenta a tensão de escoamento ) e mais duro. Resumidamente, impurezas ⇒ distorção da rede ⇒ dificuldade ao deslizamento de dislokações ⇒ aumento de resistência mecânica.
Esse fenômeno é chamado de fortalecimento por solução sólida: ao adicionarmos uma certa concentração de átomos estranhos, o metal torna-se mais resistente (aumenta a tensão de escoamento
Passo 4
Além da resistência mecânica, a desordem também é utilizada para ajustar propriedades elétricas e magnéticas. Em metais de transição ou semicondutores, a presença controlada de impurezas (doping) altera a densidade de portadores de carga, mudando a condutividade elétrica e o comportamento magnético.
Resposta
Impurezas e desordem na rede cristalina são desejadas porque criam distorções que travam o movimento de dislokações, resultando em aumento de dureza e resistência mecânica (fortalecimento por solução sólida) e permitem ainda ajustar propriedades elétricas e magnéticas por meio de doping.