Diga olá ao material mais resistente da Terra

Perscrutando 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 rede. A força e tenacidade do material, ou a falta dela, vêm das propriedades físicas da rede. Nenhum cristal é perfeito, então as células unitárias em um material inevitavelmente conterão “defeitos”, um exemplo proeminente sendo os limites de deslocamentos onde a rede não deformada se encontra com a rede 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 é bloqueado por obstáculos na forma de irregularidades da rede, 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 de transmissão eletrônica, Ritchie, George e seus colegas do Berkeley Lab, da Universidade de Bristol, do Rutherford Appleton Laboratory e da Universidade de New South Wales examinaram as estruturas de rede 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 tenacidade 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.)

As imagens e mapas atômicos gerados a partir dessas técnicas revelaram que a tenacidade 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. Primeiro, deslocamentos em movimento fazem com que áreas do cristal deslizem para longe de outras áreas que estão em planos paralelos. Esse movimento desloca camadas de células unitárias de forma que seu padrão não mais corresponda na direção perpendicular ao movimento de deslizamento, criando uma espécie de obstáculo. A força adicional no metal cria um fenômeno chamado nanotwinning, em que as áreas da rede 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 nanoentrelaçamento em materiais comuns, vimos escorregamento em materiais comuns. Isso é verdade. Não há nada de novo nisso, mas é o fato de que todos eles ocorrem nessa sequência mágica que nos dá essas propriedades realmente tremendas”.

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 do Centro Nacional de Microscopia Eletrônica da Molecular Foundry no Berkeley Lab e Professor de Ciência e Engenharia de Materiais na UC Berkeley. Conseguimos 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 com a resolução de um único nanômetro – a largura de apenas um poucos átomos – que, como se vê, é aproximadamente 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 tenacidade que a liga CrCoNi mais simples.

Forjando novos produtos

Agora que o funcionamento interno da liga CrCoNi é melhor compreendido, ele e outros HEAs estão um passo mais perto de serem adotados 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 40.000 pés é uma estrutura de liga leve que foi desenvolvida apenas alguns meses atrás? 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.”

Esta pesquisa foi apoiada pelo Departamento de Energia do Office of Science. O teste mecânico de baixa temperatura e a difração de nêutrons foram realizados no ENGIN-X ISIS Facility no Rutherford Appleton Laboratory, liderado pelo primeiro autor Dong Liu. A microscopia foi realizada no Centro Nacional de Microscopia Eletrônica no Molecular Foundry, uma instalação do usuário do DOE Office of Science no Berkeley Lab. Os outros autores deste projeto foram Qin Yu, Saurabh Kabra, Ming Jiang, Joachim-Paul Forna-Kreutzer, Ruopeng Zhang, Madelyn Payne, Flynn Walsh, Bernd Gludovatz e Mark Asta.

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Fundado em 1931 com a crença de que os maiores desafios científicos são melhor enfrentados por equipes, o Lawrence Berkeley National Laboratory e seus cientistas foram reconhecidos com 16 prêmios Nobel. Hoje, os pesquisadores do Berkeley Lab desenvolvem energia sustentável e soluções ambientais, criam novos materiais úteis, avançam as fronteiras da computação e investigam os mistérios da vida, da matéria e do universo. Cientistas de todo o mundo confiam nas instalações do laboratório para suas próprias descobertas científicas. O Berkeley Lab é um laboratório nacional multiprograma, administrado pela Universidade da Califórnia para o Escritório de Ciências do Departamento de Energia dos Estados Unidos.

O Office of Science do DOE é o maior apoiador individual da pesquisa básica em ciências físicas nos Estados Unidos e está trabalhando para enfrentar alguns dos desafios mais prementes de nosso tempo. Para obter mais informações, visite energy.gov/science.

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