Os engenheiros da Rice University que imitam processos em escala atômica para torná-los grandes o suficiente para ver modelaram como o cisalhamento influencia os limites de grãos em materiais policristalinos.
Que os limites podem mudar tão prontamente não foi uma surpresa para os pesquisadores, que usaram matrizes giratórias de partículas magnéticas para ver o que eles suspeitam acontecer na interface entre domínios de cristal desalinhados.

De acordo com Sibani Lisa Biswal, professora de engenharia química e biomolecular na Escola de Engenharia George R. Brown de Rice, e estudante de pós-graduação e autora principal Dana Lobmeyer, o cisalhamento interfacial no limite do vazio cristalino pode realmente determinar como as microestruturas evoluem.

A técnica relatada em Avanços da ciência poderia ajudar os engenheiros a projetar materiais novos e aprimorados.

A olho nu, metais comuns, cerâmicas e semicondutores parecem uniformes e sólidos. Mas na escala molecular, esses materiais são policristalinos, separados por defeitos conhecidos como contornos de grão. A organização desses agregados policristalinos governa propriedades como condutividade e resistência.

Sob tensão aplicada, os contornos de grão podem se formar, reconfigurar ou até mesmo desaparecer completamente para acomodar novas condições. Embora os cristais coloidais tenham sido usados ​​como sistemas modelo para ver as fronteiras se moverem, controlar suas transições de fase tem sido um desafio.

"O que diferencia nosso estudo é que, na maioria dos estudos de cristais coloidais, os limites de grão se formam e permanecem estacionários", disse Lobmeyer. "Eles são essencialmente imutáveis. Mas com nosso campo magnético rotativo, os limites dos grãos são dinâmicos e podemos observar seu movimento."

Em experimentos, os pesquisadores induziram colóides de partículas paramagnéticas para formar estruturas policristalinas 2D girando-as com campos magnéticos. Como mostrado recentemente em um estudo anterior, esse tipo de sistema é adequado para visualizar transições de fase características de sistemas atômicos.

Aqui, eles viram que fases gasosas e sólidas podem coexistir, resultando em estruturas policristalinas que incluem regiões livres de partículas. Eles mostraram que esses vazios atuam como fontes e sumidouros para o movimento dos contornos de grão.

O novo estudo também demonstra como seu sistema segue a teoria de Read-Shockley de longa data da matéria condensada dura que prevê os ângulos de desorientação e energias dos limites de grãos de baixo ângulo, aqueles caracterizados por um pequeno desalinhamento entre cristais adjacentes.

Ao aplicar um campo magnético nas partículas coloidais, Lobmeyer incitou as partículas de poliestireno embebidas em óxido de ferro a se montarem e observaram como os cristais formavam os contornos de grão.

"Normalmente começamos com muitos cristais relativamente pequenos", disse ela. "Depois de algum tempo, os limites de grão começaram a desaparecer, então pensamos que poderia levar a um cristal único e perfeito."

Em vez disso, novos contornos de grão se formaram devido ao cisalhamento na interface vazia. Semelhante aos materiais policristalinos, eles seguiram o ângulo de desorientação e as previsões de energia feitas por Read e Shockley há mais de 70 anos.

“Os limites de grãos têm um impacto significativo nas propriedades dos materiais, portanto, entender como os vazios podem ser usados ​​para controlar materiais cristalinos nos oferece novas maneiras de projetá-los”, disse Biswal. "Nosso próximo passo é usar este sistema coloidal ajustável para estudar o recozimento, um processo que envolve vários ciclos de aquecimento e resfriamento para remover defeitos em materiais cristalinos."

A National Science Foundation (1705703) apoiou a pesquisa. Biswal é o Professor William M. McCardell em Engenharia Química, professor de engenharia química e biomolecular e de ciência de materiais e nanoengenharia. + Explorar mais

Usando microscopia eletrônica e rastreamento automático de átomos para aprender mais sobre limites de grão em metais durante a deformação