Quando a maioria das pessoas pensa em cerâmica, eles podem imaginar sua caneca favorita ou um vaso de flores. Mas a tecnologia moderna está repleta de cerâmicas avançadas, de painéis solares de silício a supercondutores de cerâmica e implantes biomédicos.

Muitas dessas cerâmicas policristalinas avançadas são combinações de grãos cristalinos que, no nível microscópico, assemelham-se a uma cerca de pedra presa com argamassa de calcário. Como aquela cerca, a resistência da cerâmica é determinada pela resistência da argamassa - que na cerâmica é o limite de grão, ou as áreas onde os diferentes grãos se encontram.

Anteriormente, a maioria dos pesquisadores acreditava que a química desses limites de grão na cerâmica era muito estável. Mas um novo estudo realizado por engenheiros de ciência de materiais da Universidade de Wisconsin-Madison mostra que não é o caso. Na verdade, no importante material cerâmico, carboneto de silício, átomos de carbono se acumulam nesses limites de grão quando o material é exposto à radiação. A descoberta pode ajudar os engenheiros a entender melhor as propriedades da cerâmica e pode auxiliar no ajuste fino de uma nova geração de materiais cerâmicos.

Os detalhes do estudo aparecem hoje na revista. Materiais da Natureza .

Desde a década de 1970, os pesquisadores estão cientes da segregação induzida por radiação semelhante em ligas metálicas. Como os átomos de metal compartilham elétrons livremente, eles são capazes de misturar e descompactar facilmente. Quando eles são bombardeados por radiação iônica, alguns dos átomos nos metais sairão do lugar e se moverão em direção aos limites dos grãos, e se diferentes tipos de átomos se movem em taxas diferentes, a química da liga pode ser alterada.

Os átomos na cerâmica são muito seletivos quanto aos vizinhos com os quais se ligam e as ligações são muito mais fortes do que nos metais. É por isso que os pesquisadores acreditavam que esses átomos não estavam sujeitos ao mesmo tipo de segregação. Mas quando Izabela Szlufarska, professor de ciência de materiais e engenharia da UW-Madison, começou a olhar de perto os limites de grão do carboneto de silício, não foi isso que ela encontrou.

"Em carboneto de silício, o silício e o carbono realmente querem ser emparelhados; eles querem ser 50 por cento de carbono e 50 por cento de silício, " ela diz.

Contudo, quando sua equipe fez simulações e também imaginou os limites dos grãos, a concentração de carbono era de apenas 45% nos limites. "A química estava realmente errada, "ela diz." Essa foi a primeira surpresa, uma vez que este material realmente deseja ter átomos ordenados. "

Isso sugere que o carboneto de silício também pode ser suscetível à segregação induzida por radiação. Então, Szlufarska e sua equipe bombardearam a substância com radiação iônica, descobrindo que entre 300 graus Celsius e 600 graus Celsius, os limites do grão experimentaram enriquecimento de carbono.

Nesses níveis de energia, a radiação faz com que alguns átomos de carbono saltem do lugar, criando um par de defeitos no carboneto de silício, incluindo um ponto vazio denominado vazio e um átomo de carbono solto denominado intersticial. Esses átomos intersticiais não ligados migram para os limites do grão, onde se acumulam, afetando a química do material.

Além do fato de os pesquisadores simplesmente não acreditarem que esse tipo de segregação pudesse ocorrer na cerâmica, Szlufarska diz que, até recentemente, eles também não tinham as ferramentas para investigar o fenômeno. Após meticulosa fabricação e preparação dos bi-cristais de carboneto de silício, a microscopia eletrônica de transmissão de varredura de última geração conduzida no UW-Madison e no Oak Ridge National Laboratory permitiu que a equipe resolvesse a composição química ao longo dos limites dos grãos.

A equipe acredita que o fenômeno provavelmente ocorrerá também em outras cerâmicas policristalinas. O processo é uma faca de dois gumes:por um lado, a segregação induzida por radiação significa que as cerâmicas estão sujeitas aos mesmos tipos de danos e deterioração em seus limites de grão que as ligas metálicas, embora em temperaturas diferentes. Por outro lado, a segregação pode ser útil na engenharia de materiais para produzir versões especializadas de cerâmicas como carboneto de silício, que é usado na energia nuclear, motores a jato e outras aplicações de alta tecnologia.

"Talvez a radiação possa ser usada como uma ferramenta para ajustar a química de contorno de grão, "diz Xing Wang, coautor do estudo e professor da Pennsylvania State University que trabalhou na pesquisa enquanto fazia seu doutorado na UW-Madison. "Isso pode ser útil para nós no futuro."