Uma equipe de cientistas conseguiu a prata mais forte de todos os tempos - 42% mais forte do que o recorde mundial anterior. Mas esse não é o ponto importante.

"Nós descobrimos um novo mecanismo em funcionamento em nanoescala que nos permite fazer metais que são muito mais fortes do que qualquer coisa já feita antes, sem perder nenhuma condutividade elétrica, "diz Frederic Sansoz, um cientista de materiais e professor de engenharia mecânica da Universidade de Vermont que co-liderou a nova descoberta.

Esta descoberta fundamental promete uma nova categoria de materiais que podem superar uma compensação tradicional em materiais industriais e comerciais entre resistência e capacidade de transportar corrente elétrica.

Os resultados da equipe foram publicados no dia 23 de setembro na revista. Materiais da Natureza .

Repensando o defeito

Todos os metais têm defeitos. Muitas vezes, esses defeitos levam a qualidades indesejáveis, como fragilidade ou amolecimento. Isso levou os cientistas a criar várias ligas ou misturas pesadas de materiais para torná-los mais fortes. Mas à medida que ficam mais fortes, eles perdem a condutividade elétrica.

"Nós nos perguntamos, como podemos fazer um material com defeitos, mas superar o amolecimento, mantendo a eletrocondutividade, "disse Morris Wang, um cientista-chefe do Laboratório Nacional Lawrence Livermore e co-autor do novo estudo.

Ao misturar uma pequena quantidade de cobre na prata, a equipe mostrou que pode transformar dois tipos de defeitos em nanoescala inerentes em uma poderosa estrutura interna. "Isso porque as impurezas são diretamente atraídas para esses defeitos, "explica Sansoz. Ou seja, a equipe usou uma impureza de cobre - uma forma de dopagem ou "microliga" como os cientistas chamam - para controlar o comportamento dos defeitos da prata. Como uma espécie de jiu-jitsu em escala atômica, os cientistas aproveitaram os defeitos a seu favor, usá-los para fortalecer o metal e manter sua condutividade elétrica.

Para fazer sua descoberta, a equipe, incluindo especialistas da UVM, Lawrence Livermore National Lab, o Laboratório Ames, Laboratório Nacional de Los Alamos e UCLA - começou com uma ideia fundamental de engenharia de materiais:conforme o tamanho de um cristal - ou grão - de material fica menor, fica mais forte. Os cientistas chamam isso de relação Hall-Petch. Este princípio geral de design permitiu que cientistas e engenheiros construíssem ligas mais fortes e cerâmicas avançadas por mais de 70 anos. Funciona muito bem.

Até que isso não aconteça. Eventualmente, quando os grãos de metal atingem um tamanho infinitesimalmente minúsculo - menos de dezenas de nanômetros de largura - os limites entre os grãos tornam-se instáveis ​​e começam a se mover. Portanto, outra abordagem conhecida para fortalecer metais como a prata usa "fronteiras gêmeas coerentes em nanoescala, "que são um tipo especial de contorno de grão. Essas estruturas de átomos emparelhados - formando uma interface cristalina simétrica semelhante a um espelho - são extremamente fortes à deformação. Exceto que esses limites gêmeos, também, tornam-se suaves quando seu espaçamento cai sob um tamanho crítico de alguns nanômetros, devido a imperfeições.

Propriedades sem precedentes

Grosso modo falando, os nanocristais são como pedaços de tecido e os nanotwins são como fios fortes, mas minúsculos no tecido. Exceto que eles estão em escala atômica. A nova pesquisa combina as duas abordagens para fazer o que os cientistas chamam de "metal nanocristalino-nanotwinned, "que tem" propriedades mecânicas e físicas sem precedentes, "escreve a equipe.

Isso porque os átomos de cobre, ligeiramente menor do que os átomos de prata, mover para defeitos nos limites de grão e nos limites gêmeos. Isso permitiu que a equipe - usando simulações de computador de átomos como ponto de partida e depois passando para metais reais com instrumentos avançados nos Laboratórios Nacionais - criasse a nova forma superfortesíssima de prata. As minúsculas impurezas de cobre dentro da prata inibem a movimentação dos defeitos, mas há uma quantidade tão pequena de metal - menos de um por cento do total - que a rica condutividade elétrica da prata é retida. "As impurezas do átomo de cobre vão ao longo de cada interface e não entre elas, "Sansoz explica." Portanto, eles não interrompem os elétrons que estão se propagando. "

Esse metal não apenas supera o amolecimento observado anteriormente à medida que os grãos e os limites dos gêmeos ficam muito pequenos - o chamado "colapso de Hall-Petch" - como até excede o limite teórico de Hall-Petch de longa data. A equipe relata que uma "força máxima ideal" pode ser encontrada em metais com limites duplos que estão separados por menos de sete nanômetros, apenas alguns átomos. E uma versão tratada termicamente da prata atada com cobre da equipe tem uma medida de dureza acima do que se pensava ser o máximo teórico.

"Quebramos o recorde mundial, e o limite de Hall-Petch também, não apenas uma, mas várias vezes no decorrer deste estudo, com experimentos muito controlados, "diz Sansoz.

Sansoz está confiante de que a abordagem da equipe para fazer prata super-forte e ainda condutora pode ser aplicada a muitos outros metais. "Esta é uma nova classe de materiais e estamos apenas começando a entender como eles funcionam, ", diz ele. E ele antecipa que a ciência básica revelada no novo estudo pode levar a avanços em tecnologias - de células solares mais eficientes a aviões mais leves e usinas nucleares mais seguras." Quando você pode tornar o material mais forte, você pode usar menos dele, e dura mais, " ele diz, "e ser eletricamente condutor é crucial para muitas aplicações."