Estrutura cristalina
A estrutura cristalina de um sólido é a designação dada ao conjunto de propriedades que resultam da forma como estão espacialmente ordenados os átomos ou moléculas que o constituem. Note-se que apenas os sólidos cristalinos exibem esta característica, já que ela é o resultado macroscópico da existência subjacente de uma estrutura ordenada ao nível atômico, replicada no espaço ao longo de distâncias significativas face à dimensão atómica ou molecular, o que é exclusivo dos cristais.
Dado que, de maneira geral, a matéria sólida, se apresenta sob dois estados fundamentais de ordenação: o amorfo e o cristalino, apenas os sólidos que tenham uma estrutura interna ordenada apresentem estrutura cristalina. Contudo esta definição pode ser enganadora, já que são comuns substâncias parcialmente cristalinas, isto é, compostas por porções cristalinas embebidas em material amorfo (é o caso da maioria das rochas). Também materiais aparentemente amorfos podem ser cristalinos, como é o caso da areia de quartzo (que é constituída por uma miríade de pequenos cristais) ou das argilas (que aparentam ser amorfas mas são constituídas por cristais microscópicos).
A existência da estrutura cristalina resulta dos sólidos cristalinos serem construídos a partir da repetição no espaço de uma estrutura elementar paralelepipédica denominada célula unitária (ver figura à direita). A forma e tamanho da célula unitária de cada cristal depende das dimensões, valência química e estado de ionização dos átomos ou moléculas que o compõem e das condições em que o cristal se formou. A mesma substância, sob condições de pressão e temperatura distintas, pode formar cristais com células unitárias totalmente diversas. Um exemplo clássico é o Carbono, o qual pode, dependendo das condições, cristalizar sob centenas de formas, indo desde o diamante à grafite, passando pelos fulerenos e pelas inúmeras variantes da fibra de carbono. Também as substâncias orgânicas, dos açúcares às proteínas e ao DNA, cristalizam em formas extremamente complexas em resultado do seu elevado peso molecular e complexidade estrutural.
Sistemas de cristalização
Em função dos parâmetros de rede, isto é, do comprimento dos lados e dos eixos do paralelepípedo elementar da célula unitária, e dos ângulos que as suas faces formam entre si, podem identificar-se sistemas de cristalização, ou sistemas cristalinos básicos. Neste contexto, um sistema de cristalização é o grupo pontual da malha cristalina, isto é o conjunto de simetrias de rotação e reflecção permitidas ao manter fixo um ponto da malha (ignorando os átomos ou moléculas contidos em cada célula unitária). A análise geométrica dos sistemas de cristalização permite concluir que existem sete sistemas distintos (veja a tabela abaixo), embora dentro de alguns deles seja possível distinguir subcategorias em função dos centros de simetria. A designação dos eixos e dos ângulos entre os eixos é a que resulta do diagrama que acompanha a tabela.
Redes de Bravais
Por sua vez, em função das possíveis localizações das partículas (átomos, íons ou moléculas) na célula unitária, estabelecem-se 14 estruturas cristalinas básicas, as denominadas redes de Bravais (ver tabela à direita). Uma rede de Bravais é um conjunto de pontos construídos por translação de um único ponto em intervalos discretos determinados por um conjunto de vectores denominados vectores base. Todos os materiais cristalinos até agora identificados pertencem a um dos 14 arranjos tridimensionais correspondentes às estruturas cristalinas básicas de Bravais. As excepções conhecidas são os quasecristais de Shechtman, os quais contudo não são verdadeiros cristais por não possuírem uma malha com repetição espacial uniforme.
Grupos pontuais e espaciais
O grupo cristalográfico pontual, ou classe do cristal, é o conjunto de simetrias não translacionais que podem ser executadas deixando um ponto do cristal fixo. A partir dos sete sistemas de cristalização é possível obter 32 classes de cristal distintas. O grupo espacial da estrutura de um cristal é composto pelo conjunto das simetrias translacionais e do grupo pontual. Daí resultam 230 grupos espaciais distintos, distribuídos (ver acima) pelos diversos sistemas de cristalização.
Relações de simetria nos cristais
Os cristais podem ser agrupados em 32 classes, ou grupos pontuais, de acordo com os números de eixos de rotação e planos de reflexão que permitem sob condição de manter invariante a malha cristalina. Essas classes, por indiciarem a assimetria estrutural do cristal, e a consequente assimetria na distribuição de cargas eléctricas, correspondem a importantes variações no comportamento piezoeléctrico e piroeléctrico dos materiais. Das 32 classes de simetria, 20 apresentam actividade piezoeléctrica, coincidindo com aquelas classes que não têm centro de simetria. Apesar de qualquer material não condutor desenvolver uma polarização dieléctrica quando submetido a um campo eléctrico, há materiais que desenvolvem polarização mesmo na ausência de campos. Tais materiais são designados por polares, sendo esta propriedade determinada exclusivamente pela estrutura cristalina. Apenas 10 das 32 classes de cristais exibem comportamento polar. Todos os materiais polares são simultaneamente piezoeléctricos.
