p Ligas metálicas avançadas são essenciais em peças-chave da vida moderna, de carros a satélites, de materiais de construção à eletrônica. Mas a criação de novas ligas para usos específicos, com força otimizada, dureza, resistência à corrosão, condutividade, e assim por diante, foi limitado pela compreensão vaga dos pesquisadores do que acontece nas fronteiras entre os minúsculos grãos cristalinos que compõem a maioria dos metais. p Quando dois metais são misturados, os átomos do metal secundário podem se acumular ao longo desses limites de grão, ou eles podem se espalhar através da rede de átomos dentro dos grãos. As propriedades gerais do material são determinadas em grande parte pelo comportamento desses átomos, mas até agora não houve uma maneira sistemática de prever o que eles farão.

p Pesquisadores do MIT agora encontraram uma maneira, usando uma combinação de simulações de computador e um processo de aprendizado de máquina, para produzir os tipos de previsões detalhadas dessas propriedades que poderiam guiar o desenvolvimento de novas ligas para uma ampla variedade de aplicações. Os resultados são descritos hoje no jornal Nature Communications , em um artigo do estudante de graduação Malik Wagih, pós-doutorado Peter Larsen, e professor de ciência de materiais e engenharia Christopher Schuh.

p Schuh explica que a compreensão do comportamento em nível atômico de metais policristalinos, que representam a grande maioria dos metais que usamos, é um desafio assustador. Considerando que os átomos em um único cristal são organizados em um padrão ordenado, de modo que a relação entre átomos adjacentes seja simples e previsível, esse não é o caso com os múltiplos cristais minúsculos na maioria dos objetos de metal. "Você tem cristais esmagados no que chamamos de limites de grão. E em um material estrutural convencional, existem milhões e milhões de tais fronteiras, " ele diz.

p Esses limites ajudam a determinar as propriedades do material. "Você pode pensar neles como a cola que mantém os cristais juntos, "ele diz." Mas eles são desordenados, os átomos estão misturados. Eles não combinam com nenhum dos cristais aos quais estão se juntando. "Isso significa que eles oferecem bilhões de arranjos atômicos possíveis, ele diz, em comparação com apenas alguns em um cristal. Criar novas ligas envolve "tentar projetar essas regiões dentro de um metal, e é literalmente bilhões de vezes mais complicado do que projetar em um cristal. "

p Schuh faz uma analogia com as pessoas de um bairro. "É como estar em um subúrbio, onde você pode ter 12 vizinhos ao seu redor. Na maioria dos metais, você olha em volta, você vê 12 pessoas e todas estão à mesma distância de você. É totalmente homogêneo. Considerando que em um limite de grão, você ainda tem algo como 12 vizinhos, mas estão todas a distâncias diferentes e são todas casas de tamanhos diferentes em direções diferentes. "

p Tradicionalmente, ele diz, aqueles que projetam novas ligas simplesmente ignoram o problema, ou apenas olhe para as propriedades médias dos limites de grão como se fossem todos iguais, mesmo sabendo que não é o caso.

p Em vez de, a equipe decidiu abordar o problema rigorosamente, examinando a distribuição real de configurações e interações para um grande número de casos representativos, e, em seguida, usando um algoritmo de aprendizado de máquina para extrapolar a partir desses casos específicos e fornecer valores previstos para uma ampla gama de variações de ligas possíveis.

p Em alguns casos, o agrupamento de átomos ao longo dos limites de grão é uma propriedade desejada que pode aumentar a dureza de um metal e a resistência à corrosão, mas às vezes também pode levar à fragilização. Dependendo do uso pretendido de uma liga, os engenheiros tentarão otimizar a combinação de propriedades. Para este estudo, a equipe examinou mais de 200 combinações diferentes de um metal de base e um metal de liga, com base em combinações que foram descritas em um nível básico na literatura. Os pesquisadores então simularam sistematicamente alguns desses compostos para estudar suas configurações de contorno de grão. Eles foram usados ​​para gerar previsões usando aprendizado de máquina, que por sua vez foram validados com simulações mais focadas. As previsões de aprendizado de máquina corresponderam de perto às medições detalhadas.

p Como resultado, os pesquisadores conseguiram mostrar que muitas combinações de ligas que haviam sido descartadas como inviáveis ​​na verdade se mostraram viáveis, Wagih diz. O novo banco de dados compilado a partir deste estudo, que foi disponibilizado no domínio público, poderia ajudar qualquer um que esteja trabalhando no projeto de novas ligas, ele diz.

p A equipe está avançando nas análises. "Em nosso mundo ideal, o que faríamos é pegar todos os metais da tabela periódica, e então adicionaríamos todos os outros elementos da tabela periódica a ele, "Schuh diz." Então você pega a tabela periódica e a cruza com ela mesma, e você verificaria todas as combinações possíveis. "Para a maioria dessas combinações, os dados básicos ainda não estão disponíveis, mas à medida que mais e mais simulações são feitas e dados coletados, isso pode ser integrado ao novo sistema, ele diz.

p Yuri Mishin, professor de física e astronomia na George Mason University, que não estava envolvido neste trabalho, diz "A segregação de contorno de grão de elementos de soluto em ligas é um dos fenômenos mais fundamentais na ciência dos materiais. A segregação pode fragilizar catastroficamente os contornos de grão ou melhorar sua coesão e resistência ao deslizamento. O controle preciso das energias de segregação é uma ferramenta eficaz para projetar novos materiais tecnológicos com mecânica avançada, térmico, ou propriedades eletrônicas. "

p Mas, ele adiciona, "Uma das principais limitações dos modelos de segregação existentes é a dependência de uma energia de segregação média, que é uma aproximação muito grosseira. "Esse é o desafio, ele diz, que esta equipe abordou com sucesso:"A qualidade da pesquisa é excelente, e a ideia central tem um potencial significativo para impactar o campo de design de ligas, fornecendo uma estrutura para uma rápida triagem de elementos de liga para sua capacidade de segregar os limites de grão. " p Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.