Smartphones que não arranham ou quebram. Marcapassos sem metal. Eletrônica para espaço e outros ambientes hostis. Tudo isso foi possível graças a uma nova tecnologia de soldagem de cerâmica desenvolvida por uma equipe de engenheiros da Universidade da Califórnia em San Diego e da Universidade da Califórnia em Riverside.

O processo, publicado na edição de 23 de agosto de Ciência , usa um laser pulsado ultrarrápido para derreter materiais cerâmicos ao longo da interface e fundi-los. Ele funciona em condições ambientais e usa menos de 50 watts de potência do laser, tornando-o mais prático do que os métodos atuais de soldagem de cerâmica, que exigem o aquecimento das peças em um forno.

Cerâmicas têm sido fundamentalmente desafiadoras para soldar porque precisam de temperaturas extremamente altas para derreter, expondo-os a gradientes de temperatura extremos que causam rachaduras, explicou o autor sênior Javier E. Garay, professor de engenharia mecânica e ciência de materiais e engenharia na UC San Diego, que liderou o trabalho em colaboração com o professor da UC Riverside e presidente de engenharia mecânica Guillermo Aguilar.

Os materiais cerâmicos são de grande interesse porque são biocompatíveis, extremamente duro e resistente a estilhaços, tornando-os ideais para implantes biomédicos e invólucros de proteção para eletrônicos. Contudo, os procedimentos atuais de soldagem de cerâmica não são propícios à fabricação de tais dispositivos.

"No momento, não há como encerrar ou selar componentes eletrônicos dentro da cerâmica porque seria necessário colocar todo o conjunto em um forno, o que acabaria queimando os eletrônicos, "Garay disse.

Garay, A solução de Aguilar e seus colegas foi apontar uma série de pulsos curtos de laser ao longo da interface entre duas peças de cerâmica, de modo que o calor se acumulasse apenas na interface e causasse fusão localizada. Eles chamam seu método de soldagem a laser pulsado ultrarrápido.

Para fazer funcionar, os pesquisadores tiveram que otimizar dois aspectos:os parâmetros do laser (tempo de exposição, número de pulsos de laser, e duração dos pulsos) e a transparência do material cerâmico. Com a combinação certa, a energia do laser se acopla fortemente à cerâmica, permitindo que as soldas sejam feitas usando baixa potência do laser (menos de 50 watts) em temperatura ambiente.

"O ponto ideal dos pulsos ultrarrápidos era de dois picossegundos na alta taxa de repetição de um megahertz, junto com um número total moderado de pulsos. Isso maximizou o diâmetro do derretimento, ablação de material minimizada, e resfriamento cronometrado certo para a melhor solda possível, "Disse Aguilar.

"Ao concentrar a energia exatamente onde a queremos, evitamos configurar gradientes de temperatura em toda a cerâmica, para que possamos envolver materiais sensíveis à temperatura sem danificá-los, "Garay disse.

Como prova de conceito, os pesquisadores soldaram uma tampa cilíndrica transparente ao interior de um tubo de cerâmica. Os testes mostraram que as soldas são fortes o suficiente para manter o vácuo.

"Os testes de vácuo que usamos em nossas soldas são os mesmos testes usados ​​na indústria para validar selos em dispositivos eletrônicos e optoeletrônicos, "disse o primeiro autor Elias Penilla, que trabalhou no projeto como pesquisador de pós-doutorado no grupo de pesquisa de Garay na UC San Diego.

O processo até agora só foi usado para soldar pequenas peças de cerâmica com menos de dois centímetros de tamanho. Os planos futuros envolverão a otimização do método para escalas maiores, bem como para diferentes tipos de materiais e geometrias.