Os níquels são onipresentes na vida americana, caindo nos bolsos, rolando sob os assentos do carro, e emergindo da parte de trás dos secadores para ser usado continuamente em inúmeras compras. Mas essas moedas resilientes e de aparência um tanto humilde também estão se tornando caras de produzir. Níquel, o próprio homônimo da moeda, tornou-se um ingrediente valioso em muitos produtos modernos, empurrando tanto o valor de mercado que às vezes fazer a moeda de cinco centavos custa até sete centavos a unidade.

Trabalhando em conjunto com a Casa da Moeda dos EUA, uma equipe de pesquisa do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) identificou uma abordagem alternativa que reduziria o custo dos materiais para o níquel em até 40 por cento. Essa abordagem produziria uma moeda tão resistente e confiável quanto o antigo níquel, mas também tão familiar para o cidadão americano.

O artigo que detalha o trabalho foi publicado hoje na revista. Integrando Materiais e Inovação de Fabricação .

Como um benefício adicional, os dados desta pesquisa também produziram resultados que podem ajudar as empresas de alta tecnologia a buscarem novos materiais para uso em eletrônicos resistentes, como telefones e laptops, e em uma variedade de novas cores radicais, para arrancar.

A fabricação de moedas é um processo complicado e exigente. As moedas não devem corroer na palma de uma mão úmida, por exemplo. As imagens estampadas em seus rostos devem ser resilientes o suficiente para resistir a décadas de comércio e às voltas ocasionais na lavanderia. Seu brilho metálico deve ser sempre reconhecível, e de espessura e densidade uniformes.

Embora invisível para o cliente médio que compra chicletes ou refrigerantes, todas as moedas dos EUA também devem conter uma quantidade predeterminada de condutividade elétrica para funcionar em máquinas de venda automática, que usam um pequeno medidor para determinar a assinatura monetária de uma moeda. Um parquímetro ou máquina de refrigerante não contará seu níquel sem essa característica-chave.

Em muitos aspectos, o desafio da produção de níquel foi uma combinação ideal para a NIST Materials Genome Initiative (MGI), que foi iniciado em 2011 com o objetivo ambicioso de diminuir o tempo que um novo material leva para chegar ao mercado em pelo menos metade, mantendo os custos baixos. O MGI vem construindo as ferramentas computacionais e de TI necessárias para o desenvolvimento de todos os tipos de novos materiais para uso em uma ampla variedade de aplicações de manufatura.

"Repensar o níquel foi uma das primeiras vezes que fomos capazes de implantar as novas ferramentas MGI para projetar um material para uma aplicação específica, "disse o cientista do NIST Carelyn Campbell." Ficamos muito satisfeitos com os resultados. "

A equipe do NIST trabalhou para trás, primeiro identificando as qualidades desejadas para a nova peça de níquel e, em seguida, descobrindo quais ligas e procedimentos podem ser necessários para torná-la realidade. A Casa da Moeda dos EUA também descreveu algumas restrições específicas do local; nomeadamente, a nova moeda teve que ser produzida usando as instalações de manufatura existentes em Denver e Filadélfia, ambos usam um tipo específico de procedimento de resfriamento lento.

A cor se mostrou particularmente desafiadora. Embora a maioria das pessoas não pense que a moeda tem um tom ou matiz especial, os colecionadores de moedas são um grupo exigente e, muitas vezes, rejeitam moedas que são até um pouco fora do tom, e os colecionadores representam uma parcela significativa do mercado de moedas. O público em geral também pode não confiar em uma moeda muito laranja ou muito amarela. Mas a cor costuma ser um critério subjetivo, e um que pode ser difícil de quantificar ou reproduzir com qualquer tipo de padrão confiável.

Nesse caso, o uso do processo MGI provou ser extremamente útil - surpreendendo até os próprios pesquisadores com a eficiência do resultado. Começando com o conjunto de parâmetros para resiliência, condutividade e cor, a equipe conseguiu produzir uma nova mistura de cobre, níquel e zinco que era 40% mais barato do que a mistura de metal anterior.

A equipe confiou muito em um tipo de sistema de design de materiais conhecido como estrutura de Engenharia de Materiais Computacional Integrada (ICME). O método usa uma grande quantidade de modelagem de computador para descobrir como os diferentes componentes irão reagir quando misturados. Nesse caso, esses componentes eram ligas metálicas.

O trabalho experimental é caro e demorado, ao passo que rodar um modelo em um computador é muito rápido e barato. A ideia é usar mais recursos e ferramentas computacionais para fazer o trabalho braçal na fase de projeto para reduzir o tempo e o custo necessário para passar da ideia à realidade.

"Dentro de um ano, conseguimos montar uma estrutura para projetar uma liga, identificar e usar nosso modelo para obter a liga correta, e, em seguida, avançar e realmente fazer o protótipo, testando e descobrindo que cumprimos todos os nossos objetivos, "disse o líder do projeto NIST e engenheiro de materiais Eric Lass. Lass também é o autor sênior do novo artigo. No passado, esse trabalho levaria vários anos.

Os resultados podem potencialmente salvar milhões da Casa da Moeda dos EUA. Além disso, várias empresas que fabricam itens de alta tecnologia têm demonstrado interesse nos resultados, uma vez que há uma forte demanda do consumidor por eletrônicos que sejam duráveis, mas também disponíveis em uma variedade de cores, como rosa metálico.

Nenhuma palavra ainda sobre se alguém está procurando ativamente um telefone que consiga passar por uma secadora quente no dia da lavanderia, no entanto.

Esta história foi republicada por cortesia do NIST. Leia a história original aqui.