Cientistas de materiais da Duke University e da UC San Diego descobriram uma nova classe de carbonetos que deve estar entre os materiais mais duros com os mais altos pontos de fusão existentes. Feito de metais baratos, os novos materiais podem em breve encontrar uso em uma ampla gama de indústrias, de maquinário e hardware à aeroespacial.

Um carboneto é tradicionalmente um composto que consiste em carbono e um outro elemento. Quando combinado com um metal como titânio ou tungstênio, o material resultante é extremamente duro e difícil de derreter. Isso torna os carbonetos ideais para aplicações como o revestimento da superfície de ferramentas de corte ou peças de um veículo espacial.

Um pequeno número de carbonetos complexos contendo três ou mais elementos também existe, mas não são comumente encontrados fora do laboratório ou em aplicações industriais. Isso se deve principalmente às dificuldades de determinar quais combinações podem formar estruturas estáveis, muito menos ter propriedades desejáveis.

Uma equipe de cientistas de materiais da Duke University e da Universidade da Califórnia em San Diego anunciou agora a descoberta de uma nova classe de carbonetos que unem o carbono a cinco elementos metálicos diferentes de uma só vez. Os resultados aparecem online no dia 27 de novembro na revista Nature Communications .

Alcançar estabilidade a partir da mistura caótica de seus átomos, em vez da estrutura atômica ordenada, esses materiais foram computacionalmente previstos para existir pelos pesquisadores da Duke University e, em seguida, sintetizados com sucesso na UC San Diego.

"Esses materiais são mais duros e leves do que os carbonetos atuais, "disse Stefano Curtarolo, professor de engenharia mecânica e ciência dos materiais na Duke. "Eles também têm pontos de fusão muito altos e são feitos de misturas de materiais relativamente baratos. Essa combinação de atributos deve torná-los muito úteis para uma ampla gama de indústrias."

Quando os alunos aprendem sobre estruturas moleculares, são mostrados cristais como sal, que se assemelha a um tabuleiro de damas 3-D. Esses materiais ganham estabilidade e resistência por meio de ligações atômicas ordenadas onde os átomos se encaixam como peças de um quebra-cabeça.

Imperfeições em uma estrutura cristalina, Contudo, muitas vezes pode adicionar resistência a um material. Se as rachaduras começarem a se propagar ao longo de uma linha de ligações moleculares, por exemplo, um grupo de estruturas desalinhadas pode detê-lo em seus trilhos. O endurecimento de metais sólidos, criando a quantidade perfeita de desordem, é obtido por meio de um processo de aquecimento e têmpera denominado recozimento.

A nova classe de carbonetos de cinco metais leva essa ideia para o próximo nível. Descartando qualquer dependência de estruturas cristalinas e ligações para sua estabilidade, esses materiais dependem totalmente da desordem. Enquanto uma pilha de bolas de beisebol não se sustenta sozinha, uma pilha de bolas de beisebol, sapatos, morcegos, chapéus e luvas só podem.

A dificuldade está em prever qual combinação de elementos permanecerá firme. Tentar fazer novos materiais é caro e demorado. O cálculo das interações atômicas por meio de simulações do primeiro princípio é ainda mais complicado. E com cinco slots para elementos metálicos e 91 para escolher, o número de receitas potenciais rapidamente se torna assustador.

"Para descobrir quais combinações vão se misturar bem, você tem que fazer uma análise espectral baseada na entropia, "disse Pranab Sarker, um pós-doutorado associado no laboratório de Curtarolo e um dos primeiros autores do artigo. "A entropia consome muito tempo e é difícil de calcular construindo um modelo átomo por átomo. Então, tentamos algo diferente."

A equipe primeiro estreitou o campo de ingredientes para oito metais conhecidos por criar compostos de carboneto com alta dureza e temperaturas de fusão. Eles então calcularam quanta energia seria necessária para um carboneto de cinco metais em potencial formar um grande conjunto de configurações aleatórias.

Se os resultados fossem espalhados, indicava que a combinação provavelmente favoreceria uma única configuração e desmoronaria - como ter muitas bolas de beisebol na mistura. Mas se houvesse muitas configurações fortemente agrupadas, indicava que o material provavelmente formaria muitas estruturas diferentes ao mesmo tempo, fornecendo a desordem necessária para a estabilidade estrutural.

O grupo então testou sua teoria fazendo com que o colega Kenneth Vecchio, professor de NanoEngenharia na UC San Diego, para tentar realmente fazer nove dos compostos. Isso foi feito combinando os elementos em cada receita em uma forma de pó fino, pressionando-os em temperaturas de até 4, 000 graus Fahrenheit e executando 2.000 amperes de corrente diretamente através deles.

"Aprender a processar esses materiais foi uma tarefa difícil, "disse Tyler Harrington, um Ph.D. aluno do laboratório de Vecchio e co-primeiro autor do artigo. "Eles se comportam de maneira diferente de qualquer material com o qual já lidamos, até mesmo os carbonetos tradicionais. "

Eles escolheram as três receitas que seu sistema considerou mais prováveis ​​de formar um material estável, os dois menos prováveis, e quatro combinações aleatórias com pontuação intermediária. Como previsto, os três candidatos mais prováveis ​​foram aprovados, enquanto os dois menos prováveis ​​não. Três dos quatro marcadores intermediários também formaram estruturas estáveis. Embora os novos carbonetos provavelmente tenham propriedades industriais desejáveis, uma combinação improvável se destacou - uma combinação de molibdênio, nióbio, tântalo, vanádio e tungstênio chamados MoNbTaVWC5 para breve.

"Combinar esse conjunto de elementos é basicamente como tentar comprimir um monte de quadrados e hexágonos, "disse Cormac Toher, professor assistente de pesquisa no laboratório de Curtarolo. "Seguir a intuição sozinho, você nunca pensaria que essa combinação seria viável. Mas acontece que os melhores candidatos são, na verdade, contra-intuitivos. "

"Não sabemos suas propriedades exatas ainda porque não foi totalmente testado, "disse Curtarolo." Mas assim que o colocarmos no laboratório nos próximos meses, Eu não ficaria surpreso se fosse o material mais duro com o ponto de fusão mais alto já feito. "

"Esta colaboração é uma equipe de pesquisadores focados em demonstrar as implicações únicas e potencialmente de mudança de paradigma desta nova abordagem, "disse Vecchio." Estamos usando abordagens inovadoras para modelagem de primeiros princípios combinadas com ferramentas de síntese e caracterização de última geração para fornecer a metodologia integrada de 'circuito fechado' tão necessária para a descoberta de materiais avançados. "