15.10. Crescimento da Nova Fase Cristalina (I)

Uma transformação de fase deve começar numa escala muito pequena. Primeiro aparecem partículas da nova fase, do tamanho talvez de algumas poucas centenas de átomos e, em seguida, as partículas com raio superior ao tamanho crítico r* crescem em tamanho, até que todo o material seja transformado. O crescimento pode envolver a transferência de material para o interior da nova fase, por difusão, seja através da antiga fase seja através do contorno de grão.
Após a formação da nova fase cristalina com , ela irá crescer numa velocidade que depende da temperatura em que ocorre o crescimento dessa fase cristalina e pelo grau de supersaturação.
Várias situações são possíveis:
1 – A fase cristalina crescer a partir de uma fase gasosa.
2 – A fase cristalina crescer dentro de um líquido.
3 – A fase cristalina crescer dentro de uma fase visco-elástica.
4 – A nova fase cristalina crescer dentro de outra fase cristalina.
Trataremos aqui somente das duas primeiras alternativas. A alternativa 3 é comum em vidros e polímeros onde, no interior de fases de altíssima viscosidade, nucleiam e crescem fases cristalinas, a chamada devitrificação (veja Capítulo 6, Sólidos Não-Cristalinos). A alternativa 4 é comum em metais e cerâmicas, onde uma nova fase cristalina nucleia e cresce no interior de outra fase cristalina (nos contornos de grão da antiga fase, por exemplo). Assim, a natureza da interface existente entre a fase cristalina que cresce e a outra fase, que supre a nova fase, tem uma importância decisiva no crescimento e na morfologia do cristal que cresce.
Quando, por exemplo, átomos de vapor são adsorvidos numa superfície cristalina que cresce a partir desta adsorção, eles se difundem nesta superfície por uma distância considerável. Se este átomo atingir um “degrau” existente na superfície do sólido, ele tenderá a ficar preso. No “degrau”, o átomo possuirá mais primeiros vizinhos do que na superfície. À medida que mais átomos atingem o degrau, este irá “caminhar” até finalmente alcançar o limite do sólido. No momento em que isso acontece, o degrau deixa de existir. É necessária agora a nucleação na superfície do sólido de uma nova camada bidimensional. É necessário um alto grau de supersaturação da fase gasosa para que haja um crescimento apreciável da fase cristalina. Os núcleos sólidos podem crescer a partir da região em que as deslocações em hélice (1) (veja Capítulo 5, Imperfeições nos Cristais) interceptam a superfície do cristal. Neste caso, o crescimento acontece mesmo para baixos valores de supersaturação. Devido à existência de uma deslocação em hélice, o degrau nunca “caminhará” até desaparecer e o crescimento será em espiral. A Figura 15.n apresenta uma ilustração de crescimento em espiral de um cristal alcano com crescimento em espiral .
A velocidade de crescimento da fase cristalina será determinada pela taxa de formação e velocidade de degraus na superfície do sólido, pela concentração de impurezas e pela concentração de defeitos como deslocações, etc. Com o aumento da supersaturação, cresce o número de possíveis fontes de formação de degraus na superfície. Átomos de impurezas afetam fortemente o crescimento dos cristais; para baixos valores de supersaturação e menores temperaturas, o efeito das impurezas sobre o crescimento de cristais se intensifica.

Figura 15.n – Cristal de parafina (alcano, ) com crescimento em espiral. As parafinas ou alcanos são hidrocarbonetos alifáticos saturados(2), de fórmula geral .