Apesar da grande variedade de partículas conhecidas pela Física, quase tudo que conhecemos pode ser resumido a prótons, nêutrons e elétrons. Então por que conhecemos materiais que se comportam de maneiras tão distintas? Por que o cobre é um bom condutor de eletricidade e madeira não? Conheça um pouco a física da matéria condensada, responsável por estudar entre outras coisas as propriedades macroscópicas da matéria!
A física da matéria condensada é uma das maiores grandes áreas da física, ela analisa o comportamento de sólidos e fluídos, suas propriedades, mudanças de fase e demais comportamentos coletivos da matéria. E aqui está um conceito fundamental: A matéria pode apresentar comportamentos coletivos diferentes das partículas que as compõem.
Essas propriedades dependem de como os átomos se organizam em estruturas macroscópicas. Por exemplo, metais são estruturas cristalinas que possuem diversos elétrons livres em sua composição. Assim, é bastante fácil colocar estes elétrons em movimento, criando uma corrente elétrica. Podemos por exemplo colocar uma tensão elétrica sobre o material que gerará um campo elétrico capaz de induzir uma corrente. Assim, os metais são bons condutores elétricos.
Podemos citar outros exemplos, como os imãs naturais. É uma propriedade intrínseca do elétron gerar um pequeno campo magnético devido ao seu spin. Porém em uma estrutura macroscópica, em geral os campos apontaram para direções aleatórias e vão se cancelar. Mas em materiais ferromagnéticos, como o ferro, os spin dos elétrons no átomo estão emparelhados, de forma que os campos se somem. Os átomos de ferro tendem a então se organizar de forma a termos vários deles apontando na mesma direção, formando ilhas microscópicas de átomos ordenados. Se várias destas ilhas estão ordenadas, teremos um campo magnético não desprezível, isto é, um imã. Se colocamos este imã próximo a um pedaço de ferro, o campo dele ordenará as ilhas desse pedaço de ferro, tornando-o também magnético e fazendo as peças grudarem.
Em geral, a organização geométrica da matéria é ditada pelas interações magnéticas. De acordo com a distribuição dos elétrons em um átomo, este se comporta de maneiras diferentes, possibilitando diferentes ligações químicas. As possibilidades de combinações desses átomos em moléculas são quase infinitas. Até mesmo quando são formadas pelos mesmos átomos, podem ter propriedades completamente diferentes devido à disposição geométrica (ver por exemplo, isomeria).
Logo, podemos perceber que apesar de termos poucos blocos (prótons, nêutrons e elétrons), existe uma infinidade de maneiras de combinações possíveis, que podem gerar os mais diversos materiais que conhecemos. Entender melhor como isto funciona e como podemos aplicar estes conhecimentos é uma das grandes motivações para a ciência dos materiais, química, física da matéria condensada e diversas outras áreas do conhecimento.