Engenheiros da Universidade da Califórnia em San Diego descobriram como inibir fraturas em superfícies sólidas, uma descoberta que tem particular relevância para a fabricação de aeronaves e para as indústrias eletrônicas.

Os pesquisadores, liderados pela professora de ciência e engenharia de materiais Julia Greer, descobriram que, ao adicionar um material secundário que derrete facilmente à superfície de filmes finos, eles poderiam impedir a formação e propagação de rachaduras.

Num artigo publicado na edição de 15 de junho da Nature Communications, Greer e os seus colegas descrevem como a adição de uma camada ultrafina de gálio ao ouro torna as superfícies de ouro muito mais resistentes à fratura.

“Trata-se de controlar falhas de materiais nas menores escalas”, disse Greer, que também atua como diretor do Laboratório de Pesquisa de Materiais (MRL) da UC San Diego. “Usamos o comportamento de fusão do gálio para inibir a nucleação de fissuras e, por ser uma camada conformada, funciona em diferentes geometrias e em uma variedade de tamanhos de fissuras.”

Na maioria dos materiais de engenharia, as trincas começam nos defeitos e crescem sob carga até o material quebrar. Segundo Greer, esse quadro convencional de fratura está incompleto. Ela sugere que as fissuras originam-se não apenas de defeitos em maior escala, mas também de rugosidade superficial em menor escala.

“Tradicionalmente, pensa-se que a fratura ocorre em microescala ou em escala maior”, disse Greer. “Mas as fissuras são criadas por processos em escala atômica. Estamos contabilizando esses processos, que normalmente são ignorados.”

Os pesquisadores testaram sua hipótese usando finas películas de ouro depositadas em um substrato de vidro. Os filmes foram então submetidos a carga de tração, e a equipe observou o comportamento de fratura dos filmes por meio de microscopia eletrônica.

Eles descobriram que os filmes de ouro com camada de gálio exibiam resistência à fratura significativamente maior do que os filmes de ouro puro. A camada de gálio evitou a formação de fissuras, mesmo quando os filmes de ouro foram submetidos a altas cargas de tração.

As descobertas da equipe sugerem que a resistência à fratura de um material pode ser significativamente melhorada simplesmente adicionando uma camada de material que derrete a uma temperatura mais baixa do que o próprio material. Esta abordagem poderia ser usada para melhorar a confiabilidade e durabilidade de uma ampla gama de materiais e estruturas, desde componentes de aeronaves até dispositivos eletrônicos.

“Estamos falando de revestimentos finos – menos de um milionésimo de metro – mas eles têm um impacto profundo no comportamento da fratura”, disse Greer. “Esse insight tem implicações para a fabricação e o design de materiais.”

Além de Greer, a equipe de pesquisa incluiu os estudantes de pós-graduação da MRL, Xiaoyue Ma e Qiang Yu. A pesquisa foi apoiada pela National Science Foundation e pelo Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea.

Fabricação de aeronaves

A indústria aeroespacial atualmente utiliza rebites para unir folhas de metal em estruturas de aeronaves. No entanto, o uso de rebites cria concentrações de tensões, que podem levar a fissuras e eventuais falhas. A adição de uma fina camada de gálio às superfícies dessas folhas poderia ajudar a inibir a formação de fissuras e melhorar a segurança geral e a confiabilidade das estruturas das aeronaves.

Dispositivos Eletrônicos

Os dispositivos eletrônicos também são suscetíveis a rachaduras, especialmente em nanoescala. O uso de uma camada de gálio poderia ajudar a prevenir a formação de rachaduras nesses dispositivos, melhorando sua confiabilidade e desempenho.

Conclusão

A descoberta de Greer e sua equipe tem implicações importantes para as indústrias aeroespacial e eletrônica, bem como para outras indústrias que dependem de filmes finos. Ao adicionar um material secundário que derrete facilmente à superfície de filmes finos, os engenheiros podem melhorar significativamente a resistência à fratura e a confiabilidade desses materiais.