Ligas de alta entropia, que são feitos de partes quase iguais de vários metais primários, pode ter um grande potencial para a criação de materiais com propriedades mecânicas superiores.

Mas com um número praticamente ilimitado de combinações possíveis, um desafio para os metalúrgicos é descobrir onde concentrar seus esforços de pesquisa em uma vasta, mundo inexplorado de misturas metálicas.

Uma equipe de pesquisadores do Instituto de Tecnologia da Geórgia desenvolveu um novo processo que pode ajudar a orientar esses esforços. Sua abordagem envolve a construção de um mapa químico de resolução atômica para ajudar a obter novos insights sobre ligas de alta entropia individuais e ajudar a caracterizar suas propriedades.

Em um estudo publicado em 9 de outubro na revista Natureza , os pesquisadores descreveram o uso de espectroscopia de raios-X de dispersão de energia para criar mapas de metais individuais em duas ligas de alta entropia. Esta técnica de espectroscopia, usado em conjunto com microscopia eletrônica de transmissão, detecta os raios-X emitidos por uma amostra durante o bombardeio por um feixe de elétrons para caracterizar a composição elementar de uma amostra analisada. Os mapas mostram como os átomos individuais se organizam dentro da liga, permitindo que os pesquisadores procurem padrões que possam ajudá-los a projetar ligas enfatizando as propriedades individuais.

Por exemplo, os mapas podem dar aos pesquisadores pistas para entender por que substituir um metal por outro pode tornar uma liga mais forte ou mais fraca, ou por que um metal supera outros em ambientes extremamente frios.

"A maioria das ligas usadas em aplicações de engenharia tem apenas um metal primário, como ferro em aço ou níquel em superligas à base de níquel, com quantidades relativamente pequenas de outros metais, "disse Ting Zhu, professor da Escola de Engenharia Mecânica George W. Woodruff da Georgia Tech. “Essas novas ligas que têm concentrações relativamente altas de cinco ou mais metais abrem a possibilidade de ligas não convencionais que podem ter propriedades sem precedentes. Mas este é um novo espaço de composição que não foi explorado, e ainda temos uma compreensão muito limitada dessa classe de materiais. "

O nome "alta entropia" se refere à falta de uniformidade na mistura de metais, bem como de quantas maneiras diferentes e um tanto aleatórias os átomos dos metais podem ser arranjados à medida que são combinados.

Os novos mapas podem ajudar os pesquisadores a determinar se existem estruturas atômicas não convencionais que essas ligas usam que podem ser aproveitadas para aplicações de engenharia, e quanto controle os pesquisadores poderiam ter sobre as misturas, a fim de "ajustá-las" para características específicas, Zhu disse.

Para testar a nova abordagem de imagem, a equipe de pesquisa comparou duas ligas de alta entropia contendo cinco metais. Um era uma mistura de cromo, ferro, cobalto, níquel, e manganês, uma combinação comumente referida como uma liga "Cantor". O outro era semelhante, mas substituía o manganês pelo paládio. Essa substituição resultou em um comportamento muito diferente em como os átomos se organizaram na mistura.

"Na liga Cantor, a distribuição de todos os cinco elementos é consistentemente aleatória, "Zhu disse." Mas com a nova liga contendo paládio, os elementos mostram agregações significativas devido ao tamanho atômico muito diferente dos átomos de paládio, bem como sua diferença na eletronegatividade em comparação com os outros elementos. "

Na nova liga com paládio, o mapeamento mostrou que o paládio tendia a formar grandes aglomerados enquanto o cobalto parecia se acumular em locais onde o ferro estava em baixas concentrações.

Essas agregações, com seus tamanhos e espaçamentos na faixa de alguns nanômetros, fornecem forte resistência à deformação e podem explicar as diferenças nas propriedades mecânicas de uma liga de alta entropia para outra. Em testes de esforço, a liga com paládio apresentou maior resistência ao escoamento, mantendo o endurecimento por deformação e ductilidade à tração semelhantes aos da liga de Cantor.

"A modulação da escala atômica da distribuição dos elementos produz a flutuação da resistência da rede, que sintoniza fortemente os comportamentos de deslocamento, "disse Qian Yu, co-autor do artigo e professor da Universidade de Zhejiang. "Essa modulação ocorre em uma escala que é mais fina do que o endurecimento por precipitação e é maior do que a do fortalecimento por solução sólida tradicional. E fornece uma compreensão do caráter intrínseco das ligas de alta entropia."

As descobertas podem permitir aos pesquisadores projetar ligas personalizadas no futuro, aproveitando uma propriedade ou outra.

A equipe também incluiu pesquisadores da Universidade do Tennessee, Knoxville; Universidade de Tsinghua; e a Academia Chinesa de Ciências.