Os materiais metálicos usados ​​na engenharia devem ser fortes e dúcteis – capazes de suportar altas cargas mecânicas e, ao mesmo tempo, suportar deformações sem quebrar. Se um material é fraco ou forte, dúctil ou frágil, no entanto, não é determinado simplesmente pelos grãos de cristal que compõem o material, mas sim pelo que acontece no espaço entre eles conhecido como limite de grão. Apesar de décadas de investigação, os processos de deformação em nível atômico no contorno de grão permanecem indefinidos, juntamente com o segredo para fazer materiais novos e melhores.
Usando microscopia avançada juntamente com novas simulações de computador que rastreiam o movimento atômico, pesquisadores do Instituto de Tecnologia da Geórgia realizaram observações em nível atômico em tempo real da deformação do contorno de grão em materiais metálicos poligrãos chamados materiais policristalinos. A equipe observou processos anteriormente não reconhecidos que afetam as propriedades do material, como átomos que saltam de um plano para outro através de um contorno de grão. Seu trabalho, publicado na Science em março, amplia os limites da sondagem em nível atômico e permite uma compreensão mais profunda de como os materiais policristalinos se deformam. Seu trabalho abre novos caminhos para o design mais inteligente de novos materiais para aplicações de engenharia extremas.

"É incrível observar os movimentos passo a passo dos átomos e, em seguida, usar essas informações para decifrar o processo dinâmico de deslizamento de um contorno de grão com estrutura complexa", disse Ting Zhu, professor da George W. Woodruff School of Mechanical Engineering e um dos principais autores do estudo, que incluiu colaboradores da Universidade de Tecnologia de Pequim.

Para desenvolver novos e melhores materiais policristalinos, é fundamental entender como eles se deformam em nível atômico. A equipe procurou obter a observação em tempo real do deslizamento do contorno de grão, um modo bem conhecido de deformação que desempenha um papel importante no controle da resistência e ductilidade de materiais policristalinos. Eles optaram por trabalhar com platina porque sua estrutura cristalina é a mesma de outros materiais policristalinos amplamente utilizados, como aço, cobre e alumínio. Usando platina, seus resultados e insights seriam geralmente aplicáveis ​​a uma ampla gama de materiais.

Uma combinação de métodos inovadores

Várias inovações importantes foram necessárias para realizar o experimento. A equipe usou um microscópio eletrônico de transmissão (TEM) para capturar imagens altamente ampliadas de átomos nos limites de grão. O TEM envia um feixe de elétrons através de um espécime de platina semelhante a um filme, processado pela equipe para ser fino o suficiente para a transmissão de elétrons. Eles também desenvolveram um pequeno dispositivo de teste do tamanho de um milímetro que aplica força mecânica a um espécime e é afixado ao microscópio. O TEM e o dispositivo trabalham em conjunto para criar imagens de nível atômico dos limites de grão durante a deformação.

Para observar o limite de grão em escala atômica deslizando mais claramente do que através da visualização das imagens TEM, os pesquisadores desenvolveram um método automatizado de rastreamento de átomos. Este método rotula automaticamente cada átomo em cada imagem TEM e, em seguida, correlaciona-os entre as imagens, permitindo o rastreamento de todos os átomos e seu movimento durante o deslizamento do contorno de grão. Finalmente, a equipe realizou simulações de computador de deslizamento de contorno de grão usando estruturas atômicas extraídas das imagens TEM. O deslizamento simulado ajudou a equipe a analisar e interpretar eventos que aconteceram em escala atômica. Ao combinar esses métodos, eles foram capazes de visualizar como os átomos individuais se movem em um contorno de grão deformado em tempo real.

Resultados

Embora se soubesse que os limites de grão deslizam durante a deformação de materiais policristalinos, imagens e análises em tempo real de Zhu e sua equipe revelaram uma rica variedade de processos atômicos, alguns deles até então desconhecidos.

Eles notaram que, durante a deformação, dois grãos vizinhos deslizaram um contra o outro e causaram a transferência de átomos de um lado do plano de contorno de grão para o outro. Esse processo, conhecido como transferência de plano atômico, não era reconhecido anteriormente. Eles também observaram que processos atômicos locais podem efetivamente acomodar átomos transferidos ajustando estruturas de contorno de grão, o que pode ser benéfico para alcançar maior ductilidade. A análise de imagens e simulações em computador mostraram que as cargas mecânicas eram altas durante os processos atômicos, e que isso facilitava a transferência de átomos e planos atômicos. Suas descobertas sugerem que a engenharia dos contornos de grão de policristais de grão fino é uma estratégia importante para tornar os materiais mais fortes e mais dúcteis.

Olhando para o futuro

A capacidade demonstrada de Zhu e sua equipe de observar, rastrear e entender a deformação do contorno de grão em escala atômica abre mais oportunidades de pesquisa para investigar interfaces e mecanismos de falha em materiais policristalinos. Uma maior compreensão da deformação em nível atômico pode informar como os materiais evoluem durante a engenharia de contorno de grão, uma necessidade para criar combinações excepcionais de resistência e ductilidade.

“Agora estamos estendendo nossa abordagem para visualizar a deformação em escala atômica em temperaturas e taxas de deformação mais altas, em busca de melhores materiais para aplicações extremas”, disse Xiaodong Han, outro autor principal do artigo e professor da Universidade de Tecnologia de Pequim.

Zhu acredita que os resultados ricos em dados de suas observações e imagens em nível atômico em tempo real podem ser integrados ao aprendizado de máquina para uma investigação mais profunda de deformações de materiais, e isso pode acelerar a descoberta e o desenvolvimento de materiais mais rapidamente do que se pensava ser possível.

"Nosso trabalho mostra a importância do uso de microscopia de alta resolução para entender o comportamento do material em nível atômico. Esse avanço permitirá que os pesquisadores adaptem materiais para propriedades ideais usando design atômico", disse Zhu. + Explorar mais

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