Um modelo que mostra como um material simples em camadas, retratado em laranja e azul, se transforma em um material composto de estrutura arquimediana complexo quando congela em torno de um modelo, representado em cinza. Crédito:Paul Braun
Compósitos feitos de materiais inorgânicos de automontagem são avaliados por sua resistência única e térmica, propriedades ópticas e magnéticas. Contudo, porque a automontagem pode ser difícil de controlar, as estruturas formadas podem ser altamente desordenadas, levando a defeitos durante a produção em grande escala. Pesquisadores da Universidade de Illinois e da Universidade de Michigan desenvolveram uma técnica de modelagem que instila uma ordem maior e dá origem a novas estruturas 3-D em uma classe especial de materiais, chamada eutética, para formar um novo, materiais de alto desempenho.
Os resultados do estudo colaborativo são publicados na revista Natureza .
Os materiais eutéticos contêm elementos e compostos com diferentes temperaturas de fusão e solidificação. Quando combinados, Contudo, o composto formado tem temperatura única de fusão e congelamento - como quando o sal e a água se combinam para formar a salmoura, que congela a uma temperatura mais baixa do que água ou sal sozinho, disseram os pesquisadores. Quando um líquido eutético se solidifica, os componentes individuais se separam, formando uma estrutura coesa - mais comumente em uma forma em camadas. O fato de que os materiais eutéticos se auto-montam em compósitos os torna altamente desejáveis para muitas tecnologias modernas, variando de lâminas de turbina de alto desempenho a ligas de solda.
"Ter um único ponto de fusão tem vantagens no processamento de materiais compostos, "disse Paul Braun, professor de ciência e engenharia de materiais e diretor do Laboratório de Pesquisa de Materiais da U. de I., quem liderou o projeto. "Em vez de depositar camadas de material individualmente, começamos com um líquido que se auto-monta à medida que se solidifica. Isso pode acelerar a produção e nos permite fazer volumes maiores de uma só vez. "
O professor Paul Braun liderou uma equipe que desenvolveu um novo sistema de modelos para ajudar a controlar a qualidade e as propriedades exclusivas de uma classe especial de materiais compostos inorgânicos. Crédito:Fred Zwicky
Contudo, a auto-montagem pode levar a problemas, ele disse, como sua natureza descontrolada pode formar defeitos.
"A modelagem é uma prática comum usada no processamento de polímeros orgânicos, "disse Ashish Kulkarni, um estudante de graduação de Illinois e o primeiro autor do estudo. "Contudo, não é algo que tenha sido explorado no processamento de materiais inorgânicos porque as microestruturas inorgânicas são mais rígidas e mais difíceis de controlar. "
Para demonstrar esse processo no laboratório, a equipe construiu modelos com minúsculos postes dispostos em formas hexagonais para controlar a resolidificação de uma fusão contendo cloreto de prata e cloreto de potássio - um material eutético que naturalmente forma camadas à medida que esfria.
"Se não for controlado, as únicas microestruturas que este sistema formará são camadas, "disse Katsuyo Thornton, professor de ciência de materiais e engenharia em Michigan, que conduziu simulações de computador com o estudante de graduação Erik Hanson, ambos são co-autores do estudo. "Podemos variar a taxa de resfriamento para tornar as camadas mais espessas ou mais finas, mas o padrão permanece o mesmo. Ao adicionar um modelo ao redor do qual o líquido se solidifica, esperávamos que novos padrões surgissem. "
Katsuyo Thornton, professor de engenheiros da Universidade de Michigan, deixou, e o estudante de graduação Erik Hanson. Crédito:Paul Braun
A equipe descobriu que, à medida que a prata e o cloreto de potássio derretem para solidificar em torno dos modelos de formato hexagonal, os postes atrapalham a formação da camada e produzem um composto com uma matriz de quadrados diferentes, em vez disso, microestruturas triangulares e em forma de favo de mel - as especificações da estrutura dependendo da distância entre os postes no modelo.
"A natureza repetitiva desses modelos e estruturas recém-formadas reduz as chances de formação de defeitos, "Braun disse." Então, não apenas formamos novas microestruturas empolgantes, mas também reduzimos o número de defeitos no material composto resultante. "
Os pesquisadores vão explorar como as novas microestruturas influenciam as propriedades físicas de uma ampla gama de materiais eutéticos.
"Os materiais que usamos em nossos experimentos são transparentes, então a primeira direção pode ser explorar materiais ópticos, e há muito potencial na área de cristais fotônicos, "Braun disse." Ainda estamos muito longe da aplicação real, mas as possibilidades são abundantes. "
