09/05/2023 - 11:12
Cientistas americanos mediram a maior resistência já registrada de qualquer material enquanto investigavam uma liga metálica feita de cromo, cobalto e níquel (CrCoNi).
O metal não é apenas extremamente dúctil – o que, na ciência dos materiais, significa altamente maleável – e impressionantemente forte (o que significa que resiste à deformação permanente); sua resistência e ductilidade melhoram à medida que esfria. Isso vai contra a maioria dos outros materiais existentes.
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A equipe, liderada por pesquisadores do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) e do Laboratório Nacional de Oak Ridge, publicou um estudo descrevendo suas descobertas recordes na revista Science. “Quando você projeta materiais estruturais, deseja que eles ser forte, mas também dúctil e resistente à fratura,” disse o colíder do projeto Easo George, do Laboratório Nacional de Oak Ridge e da Universidade do Tennessee. “Normalmente, é um compromisso entre essas propriedades. Mas esse material é ambos e, em vez de se tornar quebradiço a baixas temperaturas, torna-se mais resistente.”
Mistura igual
A liga CrCoNi é um subconjunto de uma classe de metais chamados ligas de alta entropia (HEAs, na sigla em inglês).
Todas as ligas em uso hoje contêm uma alta proporção de um elemento com quantidades menores de outros elementos adicionadas, mas as HEAs são feitas de uma mistura igual de cada elemento constituinte.
Essas receitas atômicas balanceadas parecem conferir a alguns desses materiais uma combinação extraordinariamente alta de força e ductilidade quando tensionados, que juntos formam o que é chamado de “resistência”.
As HEAs têm sido uma área quente de pesquisa desde que foram desenvolvidas há cerca de 20 anos, mas a tecnologia necessária para levar os materiais aos seus limites em testes extremos não estava disponível até recentemente.
“A resistência desse material perto das temperaturas do hélio líquido (20 kelvin, ou -253°C) chega a 500 megapascals. Nas mesmas unidades, a resistência de um pedaço de silício é 1, a estrutura de alumínio em aviões de passageiros é de cerca de 35, e a resistência de alguns dos melhores aços é de cerca de 100.
Então, 500, é um número impressionante”, disse o colíder da pesquisa Robert Ritchie, cientista sênior na Divisão de Ciências de Materiais do Berkeley Lab e professor de engenharia na Universidade da Califórnia em Berkeley.
Ritchie e George começaram a fazer experiências com CrCoNi e outra liga que também contém manganês e ferro (CrMnFeCoNi) há quase uma década. Eles criaram amostras das ligas e, em seguida, baixaram os materiais para temperaturas de nitrogênio líquido (cerca de 77 kelvin, ou -196°C) e descobriram uma força e uma resistência impressionantes.
Eles imediatamente quiseram continuar seu trabalho com testes em faixas de temperatura de hélio líquido, mas encontrar instalações que permitissem testar amostras em um ambiente tão frio e recrutar membros da equipe com as ferramentas analíticas e a experiência necessárias para investigar o que acontece no material em um nível atômico levou os próximos dez anos. Felizmente, os resultados valeram a espera.
Investigando o cristal
Muitas substâncias sólidas, incluindo metais, existem em uma forma cristalina caracterizada por um padrão atômico 3D repetido, chamado célula unitária, que compõe uma estrutura maior chamada treliça. A força e a resistência do material, ou a falta disso, vêm das propriedades físicas da treliça. Nenhum cristal é perfeito, então as células unitárias em um material inevitavelmente conterão “defeitos”.
Um exemplo proeminente disso são os deslocamentos – limites onde a treliça não deformada se encontra com a treliça deformada. Quando a força é aplicada ao material (pense, por exemplo, em dobrar uma colher de metal), a mudança de forma é realizada pelo movimento de deslocamentos através da treliça. Quanto mais fácil for para as discordâncias se moverem, mais macio será o material. Mas se o movimento das discordâncias for bloqueado por obstáculos na forma de irregularidades na treliça, então mais força é necessária para mover os átomos dentro da discordância, e o material se torna mais forte. Por outro lado, os obstáculos geralmente tornam o material mais frágil – propenso a rachaduras.
Usando difração de nêutrons, difração de retroespalhamento de elétrons e microscopia eletrônica de transmissão, Ritchie, George e seus colegas do Berkeley Lab, da Universidade de Bristol, do Rutherford Appleton Laboratory (os dois últimos no Reino Unido) e da Universidade de Nova Gales do Sul (Austrália) examinaram as estruturas de treliça de amostras de CrCoNi que haviam sido fraturado à temperatura ambiente e 20 K. (Para medir resistência e ductilidade, um espécime de metal puro é puxado até fraturar, enquanto para testes de resistência à fratura, uma trinca acentuada é intencionalmente introduzida na amostra antes de ser puxada e a tensão necessária para crescer a trinca é então medida.)
Sequência mágica
As imagens e mapas atômicos gerados a partir dessas técnicas revelaram que a resistência da liga se deve a um trio de obstáculos de deslocamento que entram em vigor em uma determinada ordem quando a força é aplicada ao material. Primeiramente, deslocamentos em movimento fazem com que áreas do cristal deslizem para longe de outras áreas que estão em planos paralelos. Esse movimento desloca as camadas de células unitárias de forma que seu padrão não coincida mais na direção perpendicular ao movimento de deslizamento, criando uma espécie de obstáculo. Mais força sobre o metal cria um fenômeno chamado nanotwinner, em que as áreas da treliça formam uma simetria espelhada com um limite no meio. Finalmente, se as forças continuarem a atuar no metal, a energia que está sendo colocada no sistema muda o arranjo das próprias células unitárias, com os átomos de CrCoNi passando de um cristal cúbico de face centrada para outro arranjo conhecido como empacotamento hexagonal.
Essa sequência de interações atômicas garante que o metal continue fluindo, mas também continue encontrando nova resistência de obstáculos muito além do ponto em que a maioria dos materiais se rompe com a tensão. “Então, enquanto você puxa, o primeiro mecanismo é iniciado e, em seguida, o segundo, o terceiro e o quarto”, explicou Ritchie. “Agora, muitas pessoas dirão, bem, vimos nanotwinning em materiais comuns, vimos deslizamento em materiais comuns. Isso é verdade. Não há nada de novo nisso, mas é o fato de todos eles ocorrerem nessa sequência mágica que nos dá essas propriedades realmente tremendas.”
Noções a serem reconsideradas
As novas descobertas da equipe, juntamente com outros trabalhos recentes sobre HEAs, podem forçar a comunidade científica de materiais a reconsiderar noções antigas sobre como as características físicas dão origem ao desempenho.
“É divertido porque os metalúrgicos dizem que a estrutura de um material define suas propriedades, mas a estrutura do NiCoCr é a mais simples que você pode imaginar – são apenas grãos”, disse Ritchie. “No entanto, quando você a deforma, a estrutura se torna muito complicada, e essa mudança ajuda a explicar sua excepcional resistência à fratura”, acrescentou o coautor Andrew Minor, diretor da instalação do Centro Nacional de Microscopia Eletrônica da Fundição Molecular no Berkeley Lab e professor de Ciência e Engenharia de Materiais na Universidade da Califórnia em Berkeley. “Pudemos visualizar essa transformação inesperada devido ao desenvolvimento de detectores de elétrons rápidos em nossos microscópios eletrônicos, que nos permitem discernir entre diferentes tipos de cristais e quantificar os defeitos dentro deles na resolução de um único nanômetro – a largura de apenas alguns átomos – que, como se vê, é do tamanho dos defeitos na estrutura de NiCoCr deformada.”
A liga CrMnFeCoNi também foi testada a 20 kelvin e teve um desempenho impressionante, mas não alcançou a mesma resistência que a liga CrCoNi mais simples.
Forjando novos produtos
Agora que o funcionamento interno da liga CrCoNi é mais bem compreendido, ela e outras HEAs estão um passo mais perto de serem adotadas para aplicações especiais. Embora a criação desses materiais seja cara, George prevê usos em situações em que extremos ambientais possam destruir ligas metálicas padrão, como nas temperaturas geladas do espaço profundo. Ele e sua equipe em Oak Ridge também estão investigando como as ligas feitas de elementos mais abundantes e menos caros (há uma escassez global de cobalto e níquel devido à sua demanda na indústria de baterias) podem ser induzidas a ter propriedades semelhantes.
Embora o progresso seja empolgante, Ritchie adverte que o uso no mundo real ainda pode estar distante, por um bom motivo. “Quando você está voando em um avião, gostaria de saber que o que o salva de cair 12 mil metros é uma liga de fuselagem que foi desenvolvida apenas alguns meses atrás?”, pergunta-se ele. “Ou você gostaria que os materiais fossem maduros e bem compreendidos? É por isso que os materiais estruturais podem levar muitos anos, até décadas, para entrar em uso real.”
