Em breve, os pesquisadores estudarão amostras de materiais na ISS. Os materiais em questão são ligas superduras e resistentes à corrosão de paládio, níquel, cobre e fósforo – também conhecidos como vidros metálicos. Uma empresa de alta tecnologia de La Chaux-de-Fonds, que produz materiais para a indústria relojoeira, também está envolvida.
Esses materiais têm a cor do ouro branco, mas são duros como o vidro de quartzo e, ao mesmo tempo, apresentam alta elasticidade. Sua superfície lisa é livre de estruturas cristalinas o que torna os materiais resistentes a sais ou ácidos. Peças individuais – para implantes médicos, por exemplo – podem ser produzidas usando impressão 3D, enquanto séries maiores – para caixas de relógios, por exemplo – são fabricadas usando moldagem por injeção. É mais ou menos assim que o material de seus sonhos é descrito pelos cientistas que estão pesquisando atualmente. Eles estão falando de vidro metálico a granel.

Na Empa, Antonia Neels, chefe do Centro de Análise de Raios-X da Empa, trabalha nesses materiais misteriosos há cerca de 15 anos. Sua equipe investiga a estrutura interna do vidro metálico usando vários métodos de raios-X, descobrindo assim correlações com propriedades como deformabilidade ou comportamento de fratura. Mesmo para os profissionais da ciência dos materiais, os vidros metálicos são um osso duro de roer:"Quanto mais de perto olhamos as amostras, mais perguntas surgem", diz Antonia Neels. Isso estimula ainda mais a ambição dos pesquisadores.

Juntos para o espaço

Em alguns meses, uma amostra de vidro metálico será estudada na microgravidade da Estação Espacial Internacional (ISS). Um grupo de pesquisadores com participação do Empa preparou as amostras e as registrou na Agência Espacial Européia ESA para voos espaciais. A liga especial é fornecida pela empresa PX Group de La Chaux-de-Fonds, que produz materiais para a indústria relojoeira e odontológica. A equipe também inclui os pesquisadores Markus Mohr e Hans-Jörg Fecht do Instituto de Nanossistemas Funcionais da Universidade de Ulm e Roland Logé do Laboratório de Metalurgia Termomecânica da EPFL em Neuchâtel.

A produção de vidro metálico não é totalmente simples:em comparação com o vidro de janela, as ligas metálicas especialmente selecionadas devem ser resfriadas até cem vezes mais rápido para que os átomos de metal não formem estruturas cristalinas. formar um copo. Na indústria, folhas finas de vidro metálico são produzidas pressionando o fundido entre tambores de cobre que giram rapidamente. Os pesquisadores às vezes moldam suas amostras em moldes feitos de cobre sólido, que dissipa o calor particularmente bem. Mas peças maiores e sólidas feitas de vidro metálico não são viáveis ​​usando esses métodos.

A impressão 3D ajuda

Uma possível saída para o dilema é a impressão 3D usando um processo conhecido como processo de leito de pó. Um pó fino da liga desejada é aquecido por alguns milissegundos com um laser. Os grãos de metal se fundem com seus vizinhos para formar uma espécie de folha. Em seguida, uma fina camada de pó é colocada no topo, o laser funde o pó recém-aplicado com a folha subjacente e, assim, uma peça tridimensional é gradualmente criada a partir de muitos grãos de pó brevemente aquecidos.

Este método requer uma dosagem fina do pulso de laser. Se o laser queimar muito fracamente no pó, as partículas não se fundem e a peça permanece porosa. Se o laser queimar com muita força, ele também derreterá as camadas inferiores novamente. O derretimento múltiplo permite que os átomos se rearranjem, formando cristais – e esse é o fim do vidro metálico.

Métodos de raios-X e sua extraordinária diversidade

No Center for X-ray Analytics da Empa, a equipe de Antonia Neels já analisou várias dessas amostras de experimentos de impressão 3D. Enquanto isso, os resultados sempre levantam novas questões. "Algumas evidências sugerem que as propriedades mecânicas dos vidros não se deterioram, mas, ao contrário, melhoram, se a amostra contiver pequenas frações cristalinas", diz Neels. “Agora estamos analisando a questão de quão grande essa fração de cristal no vidro precisa ser e que tipo de cristais precisam se formar para aumentar, digamos, a flexibilidade ou a resistência ao impacto do vidro à temperatura ambiente”.

Para rastrear o crescimento de cristais em um ambiente amorfo, os especialistas da Empa usam uma variedade de métodos de raios-X. "Com radiação de diferentes comprimentos de onda, podemos aprender sobre a estrutura das porções cristalinas, mas também determinar fenômenos de ordem próxima dos átomos na amostra - em outras palavras, determinar as propriedades das ligações químicas", explica Neels. Além disso, a análise de imagens de raios-X, conhecida como micro-CT, revela detalhes sobre as flutuações de densidade na amostra. Isso indica segregação de fases e formação de cristais. No entanto, as diferenças de densidade entre as regiões vítrea e cristalina são extremamente pequenas. O processamento detalhado da imagem é, portanto, necessário para visualizar a distribuição tridimensional das porções cristalinas.

Voo parabólico no Airbus

Mas amostras de material da impressora a laser 3D sozinhas não podem resolver completamente o quebra-cabeça dos vidros metálicos. "Precisamos saber a que temperaturas esses cristais se formam e como eles crescem - para usá-los para definir processos de fabricação estáveis", explica Neels, especialista em raios-X. Informações importantes são fornecidas pelos parâmetros termofísicos do fundido, como viscosidade e tensão superficial. Experimentos no ISS oferecem condições ideais para essas análises. Experimentos preliminares ocorrem em voos parabólicos.

Já em 2019, as primeiras gotas de vidro metálico flutuaram em caráter experimental. Um Airbus A310 especialmente convertido da empresa Novespace voou em gravidade zero com uma amostra de material. A bordo estavam cientistas de Ulm e uma pequena gota de vidro metálico da empresa PX Group em La Chaux-de-Fonds. O vidro metálico que o grupo de pesquisa está estudando é composto de paládio, cobre, níquel e fósforo. No experimento chamado TEMPUS (processamento eletromagnético livre de cadinho sob gravidade zero), a gota de vidro foi mantida em suspensão por meio de um campo magnético e aquecida até 1500 graus Celsius por indução. Durante a fase de resfriamento, dois pulsos curtos de corrente de indução fizeram a gota incandescente oscilar. Uma câmera gravou o experimento. Após o desembarque, a amostra do material foi analisada no Centro de Análises de Raios-X da Empa.

Por que o ISS oferece mais resultados

A análise do vídeo do voo parabólico permite tirar conclusões sobre a viscosidade e a tensão superficial da gota – dados importantes para um melhor controle da produção de vidros metálicos com propriedades específicas. Mas o tempo de microgravidade durante o voo dura apenas 20 segundos – muito pouco para uma análise detalhada. Isso só pode ser feito na ISS.

Então agora uma amostra do mesmo material foi registrada para um voo no módulo europeu COLUMBUS da ISS. O forno de levitação eletromagnética ISS-EML está instalado lá desde 2014. Em cada caso, 18 amostras de material voam, são trocadas automaticamente e podem ser observadas por pesquisadores na Terra via fluxo de vídeo. O vidro metálico da Suíça vai para o espaço com o próximo lote de amostras.

Novos processos de transmissão

Os pesquisadores planejam gerar uma simulação computacional do derretimento a partir de dados muito mais detalhados obtidos durante o voo espacial. Isso reunirá todas as respostas em um único modelo por meio de uma combinação de experimentos na Terra e no espaço:Em que temperatura há qual viscosidade e tensão superficial? Quando os cristais de que composição, tamanho e orientação se formam? Como essa estrutura interna do material influencia as propriedades do vidro metálico? A partir de todos esses parâmetros, os pesquisadores querem desenvolver um método de fabricação em conjunto com o parceiro industrial PX Group, para poder produzir o cobiçado material de forma definida. Portanto, ainda há muito para os pesquisadores de materiais fazerem nos próximos anos. + Explorar mais

Maneira mais rápida e precisa de encontrar óculos metálicos