Cientistas e engenheiros de materiais têm como objetivo projetar e desenvolver vidros metálicos a granel (BMGs) com excelentes propriedades. O principal desafio técnico é aumentar seu tamanho e melhorar as propriedades do material no laboratório. Agora escrevendo Avanços da Ciência , Jiang Ma e uma equipe de pesquisadores interdisciplinares resolveram o problema colaborando com os departamentos de Engenharia Micro / Nano Optomecatrônica, Engenharia Mecânica, Pesquisa em Ciência da Computação e os Institutos de Mecânica e Física. Eles demonstraram um novo método para sintetizar BMGs (vidros metálicos a granel) e compostos de vidro-vidro metálico usando fitas de vidro metálico. Usando vibrações ultrassônicas, eles ativaram totalmente o relaxamento de tensão em escala atômica dentro da camada superficial ultrafina para acelerar a ligação atômica entre as fitas a uma temperatura baixa; muito abaixo do ponto de transição do vidro. A nova abordagem superou os limites de tamanho e composição associados aos métodos convencionais para facilitar a colagem rápida de vidros metálicos de propriedades físicas distintas sem cristalização. O trabalho de pesquisa abre uma nova janela para sintetizar BMGs de composição estendida para permitir a descoberta de compósitos de vidro-vidro multifuncionais que até agora permaneceram não relatados.

O vidro é um material indispensável ao longo da história humana, desempenhando um papel prático na pesquisa científica e na vida diária. Variantes naturais ou artificiais de vidro encontram aplicações extremas em óptica, biotecnologia, medicina e eletrônica. Vidros metálicos a granel são um bom material de modelo para o estudo da estrutura e propriedades de vidros densos de embalagem aleatória, atraindo muita atenção desde sua descoberta. Os materiais são muito promissores em futuras aplicações para o desenvolvimento de artigos esportivos, dispositivos biomédicos e dispositivos eletrônicos devido ao seu alto limite elástico e excelente resistência ao desgaste / radiação.

Contudo, as taxas de cristalização dos líquidos metálicos formadores de vidro conhecidos permanecem ordens de magnitude maiores do que os materiais formadores de vidro comuns, como polímeros, silicatos ou líquidos moleculares. Como resultado, a capacidade de formação de vidro (GFA) permanece uma questão de longa data para a pesquisa fundamental, ao mesmo tempo, introduzindo um gargalo para aplicações potenciais de BMGs. O GFA superior é encontrado apenas em um número limitado de sistemas no momento para formar chumbo (Pd), BMGs à base de zircônio (Zr) e titânio (Ti). Os pesquisadores fizeram esforços substanciais no passado para compreender e melhorar o GFA dos BMGs para superar os limites existentes, incorporando a termodinâmica, sinterização de plasma de centelha, métodos de união termoplástica e, mais recentemente, seleção de componentes de alto rendimento guiada por inteligência artificial.

Os pesquisadores descobriram que a mobilidade superficial de materiais amorfos (materiais sem estrutura cristalina detectável) é muito mais rápida do que em massa, estudando uma variedade de materiais. Também existem fortes evidências para estender a dinâmica de superfície rápida de camadas monoatômicas para a escala nanométrica para formar materiais amorfos. Embora o trabalho anterior sugira que a dinâmica atômica de superfície rápida pode juntar vidros metálicos de diferentes tipos, o simples toque de duas superfícies de vidro metálico em baixas temperaturas não facilita imediatamente a formação de ligações metálicas. A fim de unir vidros metálicos, acelerando a mobilidade atômica da superfície, deve-se aplicar pressão e aumentar a temperatura. No presente trabalho, Ma et al. acelerou drasticamente a mobilidade da superfície para criar uma ligação metálica ultrarrápida sob vibrações ultrassônicas em temperatura ambiente. Eles superaram o limite da capacidade de formação de vidro (GFA) para sintetizar BMGs (vidros metálicos a granel) e formar compostos de vidro metálico (GGCs) que não foram relatados até agora.

p Para explorar a energia de ativação na superfície do vidro metálico e na massa, os cientistas aplicaram simulações de dinâmica molecular (MD) combinadas com a técnica de ativação-relaxamento nouveau (ARTn). Fisicamente, a energia de ativação está relacionada à energia necessária para acionar o salto local entre sub-bacias vizinhas na paisagem de energia potencial. Para analisar estatisticamente os perfis de distribuição de energia de ativação na superfície de um vidro metálico, a equipe de pesquisa dividiu o modelo de amostra em diferentes camadas de quatro Angstrom (Å) em espessura paralela à superfície. A camada de superfície real exibiu energias extraordinariamente baixas (aproximando-se de 0,05 eV) para se comportar em um modo de decadência exponencial para sugerir que a energia de ativação na região em massa era distinta da superfície.

Para entender melhor a ativação da superfície de vidro metálico, os pesquisadores estudaram a mobilidade da superfície de um modelo de filme de vidro metálico à base de zircônio (Zr) mapeando sua tangente de perda viscoelástica (medição adimensional de um material) usando microscopia de varredura dinâmica (DSPM). Sob agitação mecânica cíclica, alguns átomos de superfície em pontos locais foram altamente ativados para dissipar energia mecânica, enquanto outros não. Os resultados do mapeamento apoiaram fortemente a visão de que os átomos de superfície em vidros metálicos mantinham uma mobilidade rápida. Ma et al. portanto, espere que um processo de ligação rápido seja efetivamente ativado na presença de uma frequência de acionamento apropriadamente alta.

Para facilitar um processo de ligação rápida induzida por alta frequência de condução, os cientistas conduziram vibração ultrassônica em fitas BMG desintegradas. Por esta, eles colocaram as amostras de fita de vidro metálico em uma placa de base com uma cavidade feita de carboneto cimentado e aplicaram uma baixa pressão de pré-carga (~ 12 MPa) para prender as fitas com firmeza. Eles então aplicaram o sonotrodo (uma broca acústica) a uma frequência de 20, 000 Hz. A equipe usou três sistemas de liga típicos diferentes, incluindo à base de lantânio (La), à base de chumbo (Pb), e amostras de fita de vidro metálico à base de zircônio (Zr), previamente preparado usando processos convencionais de fusão-fiação.

Usando uma configuração experimental especificamente projetada, eles juntaram as fitas em uma amostra global sob vibração ultrassônica constante por menos de dois segundos. Ma et al. hastes baseadas em Zr a granel projetadas usando matéria-prima de fita, incluindo barras a granel baseadas em La e Pd usando o mesmo processo. Contudo, se os pesquisadores tivessem cristalizado as amostras de fita antes da vibração ultrassônica, eles não teriam observado um efeito de "ligação", resultando em ninhadas quebradas. Notavelmente, a natureza amorfa única foi a chave para a união da fita para formar BMGs como amostras não cristalinas que permaneceram amorfas durante a vibração ultrassônica de alta frequência. Os BMGs fabricados ultrassonicamente eram densos como amostras fundidas e demonstraram porosidades baixas. Os resultados preliminares da nova abordagem são promissores para desenvolver vidros metálicos de grande porte.

Inspirado pelos resultados iniciais, Ma et al. BMGs projetados com várias fases amorfas e componentes usando vibrações de alta frequência e BMGs multifásicos criados combinando diferentes tipos de fitas. Para conseguir isso, eles cortam fitas de vidro metálico de diferentes sistemas em pedaços, misturou-os em uma cavidade de molde e obteve amostras a granel usando vibrações ultrassônicas para unir as fitas em uma massa.

A equipe de pesquisa usou padrões de difração de raios-X para demonstrar que BMGs simples e multifásicos retiveram suas estruturas amorfas. Os cientistas também investigaram a microescala e as estruturas atômicas dos BMGs usando microscopia eletrônica de transmissão de alta resolução (HRTEM) para confirmar a presença de estruturas amorfas distintas de diferentes fases. Para estudar a distribuição elementar na interface, eles usaram espectroscopia de dispersão de energia (EDS) e notaram um nível de mistura por difusão. Depois disso, usando simulações de dinâmica molecular (MD), Ma et al. revelou a origem atômica da ligação rápida habilitada por ultrassom e notou a mobilidade dos átomos da superfície para diferir drasticamente daquela na massa; o que é típico para materiais amorfos.

Desta maneira, Jiang Ma e colegas demonstraram uma abordagem de união habilitada por ultrassom para sintetizar vidros metálicos de grande porte usando uma ou várias fases amorfas. O processo relacionava-se fundamentalmente com a mobilidade ultrarrápida dos vidros metálicos. O novo método permite o projeto de múltiplas fases e microestruturas. Os resultados da pesquisa estabelecerão um processo novo e flexível para projetar e projetar novos sistemas de vidro metálico, para estender significativamente as aplicações de materiais amorfos.

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