As ligas, materiais como o aço, produzidos pela combinação de dois ou mais elementos metálicos, estão entre os alicerces da vida contemporânea. Eles são essenciais para edifícios, transportes, eletrodomésticos e ferramentas – incluindo, muito provavelmente, o dispositivo que você está usando para ler esta história. Ao aplicar ligas, os engenheiros enfrentaram um compromisso antigo, comum na maioria dos materiais:ligas duras tendem a ser frágeis e quebram sob tensão, enquanto aquelas que são flexíveis sob tensão tendem a amassar facilmente.



As possibilidades de contornar esse compromisso surgiram há cerca de 20 anos, quando os investigadores desenvolveram pela primeira vez ligas de média e alta entropia, materiais estáveis ​​que combinam dureza e flexibilidade de uma forma que as ligas convencionais não conseguem. (A "entropia" no nome indica quão desordenada é a mistura dos elementos nas ligas.)

Agora, uma equipe de pesquisa liderada pela UCLA forneceu uma visão sem precedentes da estrutura e das características das ligas de média e alta entropia. Usando uma técnica avançada de imagem, a equipe mapeou, pela primeira vez, as coordenadas atômicas tridimensionais dessas ligas. Em outra inovação científica para qualquer material, os pesquisadores correlacionaram a mistura de elementos com defeitos estruturais. O estudo foi publicado em 20 de dezembro na revista Nature .

"As ligas de média e alta entropia foram previamente visualizadas em escala atômica em projeções 2D, mas este estudo representa a primeira vez que sua ordem atômica 3D foi observada diretamente", disse o autor correspondente Jianwei "John" Miao, professor de física no UCLA College e membro do California NanoSystems Institute da UCLA. "Encontramos um novo botão que pode ser girado para aumentar a resistência e a flexibilidade das ligas."

As ligas de média entropia combinam três ou quatro metais em quantidades aproximadamente iguais; ligas de alta entropia combinam cinco ou mais da mesma maneira. Em contraste, as ligas convencionais são principalmente um metal com outros misturados em proporções mais baixas. (O aço inoxidável, por exemplo, pode conter três quartos ou mais de ferro.)

Para compreender as descobertas dos cientistas, pense num ferreiro forjando uma espada. Esse trabalho é guiado pelo fato contra-intuitivo de que pequenos defeitos estruturais tornam os metais e ligas mais resistentes. À medida que o ferreiro aquece repetidamente uma barra de metal macia e flexível até que ela brilhe e depois a extingue em água, surgem defeitos estruturais que ajudam a transformar a barra em uma espada inflexível.

Miao e seus colegas se concentraram em um tipo de defeito estrutural chamado limite duplo, que é considerado um fator-chave na combinação única de tenacidade e flexibilidade das ligas de média e alta entropia. A geminação acontece quando a deformação faz com que uma seção de uma matriz cristalina se dobre diagonalmente enquanto os átomos ao seu redor permanecem em sua configuração original, formando imagens espelhadas em ambos os lados da fronteira.

Os pesquisadores usaram uma série de metais para produzir nanopartículas, tão pequenas que podem ser medidas em bilionésimos de metro. Seis nanopartículas de liga de média entropia combinaram níquel, paládio e platina. Quatro nanopartículas de uma liga de alta entropia combinavam cobalto, níquel, rutênio, ródio, paládio, prata, irídio e platina.

O processo para criar essas ligas lembra uma versão extrema – e extremamente rápida – da tarefa do ferreiro. Os cientistas liquefizeram o metal a mais de 2.000° Fahrenheit por cinco centésimos de segundo e depois o resfriaram em menos de um décimo desse tempo. A ideia é fixar a liga sólida na mesma mistura variada de elementos que um líquido. Ao longo do caminho, o choque do processo induziu fronteiras gémeas em seis das 10 nanopartículas; quatro deles tinham, cada um, um par de gêmeos.

A identificação dos defeitos exigiu uma técnica de imagem desenvolvida pelos pesquisadores, chamada tomografia eletrônica atômica. A técnica usa elétrons porque os detalhes em nível atômico são muito menores que os comprimentos de onda da luz visível. Os dados resultantes podem ser mapeados em 3D porque múltiplas imagens são capturadas à medida que uma amostra é girada. Ajustar a tomografia eletrônica atômica para mapear misturas complexas de metais foi um esforço árduo.

“Nosso objetivo é encontrar a verdade na natureza, e nossas medições devem ser tão precisas quanto possível”, disse Miao, que também é vice-diretor do Centro de Ciência e Tecnologia da Fundação Nacional de Ciência STROBE. "Trabalhamos lentamente, ultrapassando os limites para tornar cada etapa do processo o mais perfeita possível, e depois passamos para a próxima etapa."

Os cientistas mapearam cada átomo nas nanopartículas da liga de média entropia. Alguns dos metais na liga de alta entropia eram muito semelhantes em tamanho para que a microscopia eletrônica pudesse diferenciá-los. Assim, o mapa dessas nanopartículas agrupou os átomos em três categorias.

Os pesquisadores observaram que quanto mais átomos de diferentes elementos (ou diferentes categorias de elementos) são misturados, maior a probabilidade de a estrutura da liga mudar de uma forma que contribua para combinar resistência com flexibilidade. As descobertas poderiam informar o projeto de ligas de média e alta entropia com maior durabilidade e até mesmo desbloquear propriedades potenciais atualmente não vistas no aço e em outras ligas convencionais, através da engenharia da mistura de certos elementos.

"O problema de estudar materiais defeituosos é que é preciso olhar para cada defeito individual separadamente para realmente saber como ele afeta os átomos circundantes", disse o co-autor Peter Ercius, cientista da equipe da Fundição Molecular do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley. "A tomografia eletrônica atômica é a única técnica com resolução para fazer isso. É simplesmente incrível que possamos ver arranjos atômicos confusos nesta escala dentro de objetos tão pequenos."

Miao e seus colegas estão agora desenvolvendo um novo método de imagem que combina microscopia eletrônica atômica com uma técnica para identificar a composição de uma amostra com base nos fótons que ela emite, a fim de distinguir entre metais com átomos de tamanho semelhante.

Eles também estão desenvolvendo maneiras de examinar ligas de média e alta entropia e de compreender as relações fundamentais entre suas estruturas e propriedades.

Mais informações: Jianwei Miao, Estrutura atômica tridimensional e ordem química local de nanoligas de média e alta entropia, Natureza (2023). DOI:10.1038/s41586-023-06785-z. www.nature.com/articles/s41586-023-06785-z
Informações do diário: Natureza

Fornecido pelo California NanoSystems Institute