p Os avanços mais significativos na civilização humana são marcados pela progressão dos materiais que os humanos usam. A Idade da Pedra deu lugar à Idade do Bronze, que por sua vez deu lugar à Idade do Ferro. Novos materiais atrapalham as tecnologias da época, melhorando a vida e a condição humana. p As tecnologias modernas também podem ser atribuídas diretamente a inovações nos materiais usados ​​para fazê-las, como exemplificado pelo uso de silício em chips de computador e aços de última geração que sustentam a infraestrutura. Durante séculos, Contudo, materiais e design de liga dependem do uso de uma base, ou principal, elemento, ao qual pequenas frações de outros elementos são adicionadas. Pegue o aço, por exemplo, em que pequenas quantidades de carbono adicionadas ao elemento principal ferro (Fe), levar a propriedades melhoradas. Quando pequenas quantidades de outros elementos são adicionadas, o aço pode ser adaptado para, dizer, resistência à corrosão aprimorada ou resistência aprimorada.

p Remontando a uma ideia proposta em 2004, os últimos anos testemunharam o surgimento de um novo paradigma no design de ligas, em que três ou mais elementos são misturados em proporções aproximadamente iguais. Ligas de elementos multiprincipal nomeados (MPEAs), ou frequentemente conhecido como um subconjunto dessas ligas chamadas ligas de alta entropia, esses materiais confundem a distinção entre populações majoritárias e minoritárias de elementos. Essa união mais perfeita de parceiros atômicos que compõem o material coletivo exibe propriedades estimulantes que permitem um desempenho melhor do que suas contrapartes tradicionais.

p "Alguns desses materiais apresentam combinações excepcionais de resistência, ductilidade e tolerância a danos, "escreve uma equipe de pesquisadores da UC Santa Barbara, incluindo os professores de materiais Dan Gianola, Tresa Pollock e Irene Beyerlein, e o pesquisador de pós-doutorado Fulin Wang - e seus co-autores em um artigo publicado hoje na revista Ciência . "Ligas refratárias [feitas de um grupo de nove elementos de metal na tabela periódica que são altamente resistentes ao calor e ao desgaste] são candidatos atraentes para uso em temperaturas extremamente altas associadas a muitas aplicações de tecnologia."

p MPEAs motivou o desenvolvimento de MPEAs refratários, feito pela primeira vez em 2010. Mas o uso de várias ligas aumenta quase infinitamente o número de possíveis "receitas" de ligas. O grande número de combinações que podem ser alcançadas prepara o terreno para o uso de triagem computacional avançada e aprendizado de máquina para direcionar os subconjuntos de materiais com as propriedades mais interessantes e desejáveis.

p "Para que essas abordagens tenham sucesso, é fundamental que o processo de design da liga seja guiado por uma compreensão das origens das propriedades específicas que são desejadas, "escreve Julie Cairney, um professor da Escola de Aeroespacial, Engenharia Mecânica e Mecatrônica, na Universidade de Sydney, na Austrália, em uma peça complementar.

p Em seus Ciência papel, a equipe UCSB e colegas da Universidade de Kentucky, o Laboratório de Pesquisa Naval dos EUA, e o Laboratório de Pesquisa da Força Aérea dos EUA, sugerem uma maneira de aumentar a capacidade de prever quais ligas podem ter propriedades valiosas.

p A principal dessas propriedades é a capacidade de uma liga de deformar, ou seja, ser moldado ou dobrado, sem rachaduras e para manter a integridade do seu material sob as cargas excessivas e o alto calor encontrado em ambientes extremos, como nas asas de um avião, motores de foguetes e turbinas industriais.

p "No nível atômico, um material se deforma, ou muda de forma, como resultado de átomos em movimento, "explicou Wang, um pós-doutorado no laboratório de Gianola.

p As estruturas cristalinas dos metais são feitas de planos empilhados de átomos organizados em uma grade altamente regular. Quando um metal se deforma, átomos se movem, ou slide, uns sobre os outros na grade. A linha que separa as regiões para onde os átomos se moveram e para onde eles não se moveram é chamada de deslocamento. As propriedades dos deslocamentos, incluindo a facilidade e onde eles podem se mover, portanto, tornam-se muito importantes para os comportamentos de deformação do material.

p Apesar das vantagens das ligas MPE, o progresso em projetá-los tem sido lento. Embora as abordagens tradicionais de tentativa e erro sejam ineficientes, por volta de 2017, mais esforços de pesquisa foram dedicados ao desenvolvimento de teorias para tentar identificar a razão subjacente que uma liga particular tinha propriedades desejáveis.

p "Mas, "Wang disse, "faltam evidências experimentais para informar alguns elementos críticos da teoria. Quando comecei a trabalhar neste projeto, minha pergunta imediata foi, o que há de especial nos MPEAs em comparação com as ligas tradicionais? Uma vez que estamos interessados ​​em propriedades mecânicas, focamos nos deslocamentos. "

p Neste estudo, os pesquisadores usaram microscopia eletrônica para investigar as configurações de deslocamentos e desvendar as origens mecanísticas que dão origem às propriedades desejáveis ​​em um modelo de liga. Combinado com as simulações atomísticas do grupo de Irene Beyerlein, eles mostraram que o campo aleatório de diferentes elementos desbloqueia vários caminhos para movimentos de deslocamento, recursos não disponíveis em ligas convencionais.

p "Para deslocamentos convencionais, a força para quebrar as ligações atômicas em um deslocamento é de valor único porque todos os átomos são semelhantes, "Beyerlein disse." Para o deslocamento MPE, esta força não pode ser determinística. A estrutura de um deslocamento MPE é redefinida à medida que tenta se mover através de ambientes atômicos que mudam aleatoriamente.

p "Com nossos cálculos atomísticos, adotamos a abordagem de esperar o inesperado e sondamos não apenas os modos usuais, mas modos adicionais superiores de escorregamento, normalmente negligenciado na literatura até o momento, "ela acrescentou." Nós também realizamos milhares de cálculos, que expôs o quão amplamente variada esta força crítica de deslocamento pode ser e como os modos alternativos de deslizamento mais elevados são favoráveis. "

p O estudo é parte de um esforço colaborativo maior liderado por Pollock e financiado pelo Office of Naval Research, chamado MPE.edu, que envolve também os pesquisadores da UCSB Carlos Levi e Anton van der Ven, com o objetivo de obter insights fundamentais sobre a melhor forma de explorar o vasto espaço de ligas refratárias.

p "Embora ligas de composição complexa sejam do nosso interesse há muito tempo, o progresso na exploração do grande espaço composicional tem sido lento, "disse Pollock." Com o projeto MPE, reunimos uma equipe que usou computação emergente, aprendizado de máquina, e ferramentas experimentais, que nos permitiu descobrir novos comportamentos e explorar rapidamente novos domínios composicionais. Os pontos de fusão muito altos dos materiais refratários de interesse os tornaram notoriamente difíceis de fabricar e estudar no passado, mas nossas novas abordagens, combinado com a possibilidade de impressão 3-D, mudar completamente a paisagem. "

p “Este trabalho é emblemático do verdadeiro poder de combinar experimentos com simulação e teoria, ", Disse Gianola." Muitos pesquisadores defendem essa sinergia da boca para fora, mas este estudo não poderia ter ido tão longe sem as constantes idas e vindas entre os grupos experimental e de simulação. O futuro parece muito brilhante. "