“O mais interessante sobre esses materiais é que funcionam a temperaturas acima de 500 graus Celsius, ”Diz a estudante de pós-graduação do MIT Jessica Swallow, retratado com o equipamento usado para testar os novos materiais.
A realização de tarefas de manutenção dentro de uma usina nuclear coloca grandes tensões no equipamento, devido a temperaturas extremas que são difíceis de suportar sem degradação dos componentes. Agora, pesquisadores do MIT e de outros lugares criaram uma maneira radicalmente nova de fazer atuadores que poderiam ser usados em ambientes extremamente quentes.
O sistema depende de materiais óxidos semelhantes aos usados em muitas das baterias recarregáveis de hoje, em que os íons entram e saem do material durante os ciclos de carga e descarga. Se os íons são íons de lítio, no caso de baterias de íon de lítio, ou íons de oxigênio, no caso dos materiais óxidos, seu movimento reversível faz com que o material se expanda e se contraia.
Essa expansão e contração podem ser um grande problema que afeta a vida útil de uma bateria ou célula de combustível, como as mudanças repetidas no volume podem causar a formação de rachaduras, potencialmente levando a curtos-circuitos ou degradação do desempenho. Mas para atuadores de alta temperatura, essas mudanças de volume são um resultado desejado, e não um efeito colateral indesejável.
As descobertas são descritas em um relatório publicado esta semana no jornal Materiais da Natureza , por Jessica Swallow, um estudante de pós-graduação do MIT; Krystyn Van Vliet, o Michael (1949) e Sonja Koerner Professor de Ciência e Engenharia de Materiais; Harry Tuller, professor de ciência e engenharia de materiais; e cinco outros.
"O mais interessante sobre esses materiais é que eles funcionam a temperaturas acima de 500 graus Celsius, "Swallow explica. Isso sugere que seus movimentos de flexão previsíveis podem ser aproveitados, por exemplo, para robótica de manutenção dentro de um reator nuclear, ou atuadores dentro de motores a jato ou motores de espaçonaves.
Ao acoplar esses materiais de óxido a outros materiais cujas dimensões permanecem constantes, é possível fazer atuadores que se dobram quando o óxido se expande ou se contrai. Esta ação é semelhante à forma como as tiras bimetálicas funcionam em termostatos, onde o aquecimento faz com que um metal se expanda mais do que outro que está ligado a ele, levando a tira colada a dobrar. Para esses testes, os pesquisadores usaram um composto apelidado de PCO, para óxido de cério dopado com praseodímio.
Materiais convencionais usados para criar movimento aplicando eletricidade, como dispositivos piezoelétricos, não funcionam tão bem em temperaturas tão altas, assim, o novo sistema poderia abrir uma nova área de sensores e atuadores de alta temperatura. Esses dispositivos podem ser usados, por exemplo, para abrir e fechar válvulas nesses ambientes quentes, dizem os pesquisadores.
Este diagrama ilustra como o material de película fina se curva de seu estado plano normal (centro) conforme o oxigênio é absorvido por sua estrutura (direita) ou liberado (esquerda). Este comportamento permite que a forma do filme seja controlada remotamente, alterando sua carga elétrica. Crédito:Massachusetts Institute of Technology
Van Vliet diz que a descoberta foi possível como resultado de uma alta resolução, Sistema de medição mecânica baseado em sonda para condições de alta temperatura que ela e seus colegas desenvolveram ao longo dos anos. O sistema fornece "medições de precisão do movimento do material que aqui se relacionam diretamente com os níveis de oxigênio, " ela diz, permitindo aos pesquisadores medir exatamente como o oxigênio está entrando e saindo do óxido de metal.
Para fazer essas medições, os cientistas começam depositando uma fina camada de óxido de metal em um substrato, em seguida, use o sistema de detecção, que pode medir pequenos deslocamentos em uma escala de nanômetros, ou bilionésimos de um metro. “Esses materiais são especiais, " ela diz, "porque eles 'respiram' oxigênio para dentro e para fora, e mudar o volume, e isso faz com que o substrato dobre. "
Enquanto eles demonstraram o processo usando um composto de óxido particular, os pesquisadores dizem que as descobertas podem se aplicar amplamente a uma variedade de materiais de óxido, e até mesmo a outros tipos de íons além do oxigênio, movendo-se para dentro e para fora da camada de óxido.
Essas descobertas "são altamente significativas, uma vez que demonstram e explicam a expansão química de filmes finos em altas temperaturas, "diz Holger Fritze, um professor no
Clausthal University of Technology na Alemanha, que não estava envolvido neste trabalho. "Esses sistemas mostram grande deformação em comparação com outros materiais estáveis a alta temperatura, permitindo assim novas aplicações, incluindo atuadores de alta temperatura, " ele diz.
"A abordagem usada aqui é muito nova, "diz Brian Sheldon, professor de engenharia da Brown University, que também não esteve envolvido nesta pesquisa. "Como os autores apontaram, esta abordagem pode fornecer informações que diferem daquelas obtidas com outros métodos que são empregados para investigar a expansão química. "
Este trabalho tem duas características importantes, Sheldon diz:Fornece informações básicas importantes sobre a expansão química de tais materiais, e abre a possibilidade de novos tipos de atuadores de alta temperatura. "Eu acho que ambos são conquistas muito importantes, " ele diz.
Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.
