No trabalho que poderia ajudar a prevenir o fracasso de tudo, desde pontes a implantes dentários, uma equipe liderada por um pesquisador da Texas A&M University obteve a primeira imagem 3-D de uma rachadura microscópica se propagando através de um metal danificado pelo hidrogênio.

"Pela primeira vez, fomos capazes de pegar o crack em flagrante, "disse o Dr. Michael J. Demkowicz, professor associado do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais da Texas A&M.

Anteriormente, a única maneira de analisar tal falha de metal era olhar para as peças separadas de um componente completamente fraturado, o que envolve uma certa quantidade de suposições. A nova pesquisa mostra o que está acontecendo na ponta da trinca quando uma peça começa a se fraturar.

"É muito melhor do que chegar à cena do crime depois do fato, "disse Demkowicz.

Como resultado, a equipe identificou 10 estruturas microscópicas que tornam os metais mais fortes e menos suscetíveis a um fator ambiental importante - o hidrogênio ao nosso redor - que pode danificá-los.

Seu trabalho é publicado em Nature Communications . Foi conduzido usando duas ferramentas poderosas na Fonte Avançada de Fótons do Laboratório Nacional de Argonne (APS), e representa um marco para uma dessas ferramentas como o primeiro experimento realizado por pesquisadores fora da equipe de desenvolvimento em Argonne e Carnegie Mellon University (CMU).

Um problema comum

Os metais nos cercam em qualquer número de estruturas e dispositivos, mas eles podem ser afetados negativamente pelo hidrogênio onipresente ao nosso redor, principalmente de água.

"O hidrogênio entra no metal e causa a fratura inesperada em um processo chamado fragilização por hidrogênio, "disse John P. Hanson, um engenheiro de reator em Oklo e primeiro autor do artigo.

Um exemplo proeminente envolve a Bay Bridge em San Francisco. Como a ponte estava sendo construída em 2013, os engenheiros descobriram que 32 dos 96 parafusos enormes da estrutura haviam rachado devido à fragilização por hidrogênio. O problema foi detectado cedo, então não houve catástrofe, mas atrasou a abertura da ponte por alguns anos.

Os cientistas estudaram a fragilização por hidrogênio por mais de 150 anos, mas continua difícil de prever.

"Isso ocorre principalmente porque não temos um entendimento completo dos mecanismos por trás disso, "disse Hanson, que conduziu o trabalho enquanto fazia seu doutorado no Massachusetts Institute of Technology (MIT).

"Como resultado, os engenheiros têm que projetar demais com material adicional para cobrir qualquer falha repentina e isso custa muito, "disse o co-autor Peter Kenesei de Argonne, quem opera os instrumentos utilizados na obra. "Portanto, uma melhor compreensão desse comportamento pode ter um enorme impacto econômico."

Fazendo progresso

"Você pode progredir em problemas antigos quando tem novas ferramentas, "disse Demkowicz. Os pesquisadores empregaram duas ferramentas diferentes de síncrotron, microscopia de difração de alta energia e tomografia de absorção de raios-X, analisar a estrutura microscópica de uma fissura em uma superliga de níquel. O estudo representa a primeira vez que a técnica de microscopia foi usada por pesquisadores não envolvidos em seu desenvolvimento. A ferramenta experimental combinada e o software de análise são únicos no mundo.

Um metal é composto de cristais microscópicos, ou grãos. Em superligas de níquel, as fraturas causadas pela fragilização por hidrogênio viajam ao longo dos limites entre esses grãos. Hanson disse que as ferramentas exclusivas da linha de luz APS 1-ID permitem, pela primeira vez, não apenas observar as orientações dos grãos em torno de uma rachadura em andamento, mas também os limites dos grãos. A partir dessas observações, a equipe identificou 10 limites de grão que são mais resistentes a rachaduras.

"Pudemos mostrar não apenas quais limites de grãos são mais fortes, mas exatamente o que melhora seu desempenho, "Hanson disse. Isso poderia permitir que os engenheiros construíssem metais mais fortes, projetando-os com essas características.

Em um prazo mais próximo, as ferramentas Argonne podem ser usadas para criar imagens da microestrutura de componentes de metal existentes para prever melhor sua suscetibilidade a falhas. Kenesei observa que as ferramentas já estão sendo usadas dessa forma para estudar outros materiais de engenharia, como aqueles relacionados a aviões, baterias e reatores nucleares.

Desafios extremos

O estudo levou oito anos para ser concluído, principalmente porque envolvia grandes quantidades de dados difíceis de analisar. Os dados brutos para o trabalho preencheriam quase 400 DVDs. Avançar, os dados não se parecem em nada com um modelo 3D do material.

"É altamente criptografado na forma de listras e pontos, ou padrões de difração, que deve ser analisado por um supercomputador, "disse Robert M. Suter da Carnegie Mellon University (CMU), um especialista na análise.

Para colocar os desafios em perspectiva, Demkowicz observa que a microestrutura da fissura é na verdade muito mais complicada do que a estrutura do DNA, que Watson e Crick determinaram através do mesmo processo geral, mas à mão.