Os pesquisadores aqui fizeram uma descoberta na ciência dos materiais que parece algo do velho desenho animado Super Friends:eles encontraram uma maneira de desativar os "nano gêmeos" para melhorar as propriedades de alta temperatura das superligas usadas em motores a jato.

O avanço pode acelerar o desenvolvimento de motores de turbina poderosos e ecológicos de todos os tipos, incluindo aqueles usados ​​para transporte e geração de energia.

Os "nano gêmeos" em questão são defeitos microscópicos que crescem dentro das ligas e as enfraquecem, permitindo que se deformem sob calor e pressão. No jornal Nature Communications , engenheiros da The Ohio State University descrevem como adaptar a composição de uma liga e, em seguida, expô-la a alto calor e pressão pode não apenas impedir a formação de nano gêmeos, pode realmente tornar a liga mais forte.

Em testes, a tecnica, que eles apelidaram de "fortalecimento da transformação de fase, "eliminou a formação de nano gêmeos e reduziu a deformação da liga pela metade.

Forte, ligas resistentes ao calor permitem que os motores de turbina funcionem de forma limpa e eficiente, explicou Michael Mills, professor de ciência e engenharia de materiais e líder do projeto no estado de Ohio. Quando um motor pode funcionar em temperaturas muito altas, ele consome seu combustível de forma mais completa e produz emissões mais baixas.

"Descobrimos que aumentar as concentrações de certos elementos em superligas inibe a formação de gêmeos de deformação de alta temperatura, melhorando, assim, significativamente as capacidades de alta temperatura das ligas, "Mills disse.

Nos dias de hoje, as ligas mais avançadas são projetadas em computador - praticamente átomo por átomo - e a equipe de Mills decidiu resolver o que ele chamou de déficit no "quantitativo, compreensão abrangente "de como esses materiais exóticos à base de metal se deformam sob alta tensão.

Os pesquisadores fizeram a descoberta quando estudavam a formação de nano gêmeos em duas superligas comerciais diferentes. Eles comprimiram amostras das ligas com milhares de libras de pressão em cerca de 1, 400 graus Fahrenheit - uma temperatura comparável a um motor a jato em funcionamento - e depois examinou as estruturas cristalinas das ligas com microscópios eletrônicos e modelou o comportamento da mecânica quântica dos átomos em um computador.

Em ambas as ligas, a temperatura e a pressão causaram o desenvolvimento de nanofalhas gêmeas nos cristais da superliga. E, em ambas as ligas, a composição do material dentro e ao redor das falhas mudou, mas de maneiras diferentes.

Por meio de uma sequência de saltos em escala atômica, alguns elementos - como átomos de níquel e alumínio - difundidos para longe das falhas, enquanto outros se difundiram nas falhas. Os pesquisadores foram capazes de detectar esses movimentos em escala fina usando os microscópios eletrônicos avançados do Centro de Análise e Microscopia Eletrônica do Estado de Ohio (CEMAS), que oferece uma das maiores concentrações de instrumentos de microscopia analítica de feixe de elétrons e íons em qualquer instituição norte-americana.

"Na primeira liga, que não era tão forte em alta temperatura, átomos de cobalto e cromo preencheram a falha, "disse Timothy Smith, ex-aluno da Ohio State e principal autor do estudo. "Isso enfraqueceu a área ao redor da falha e permitiu que ela engrossasse e se tornasse um nano gêmeo."

Mas na segunda liga - aquela que não formou nano gêmeos - os elementos titânio, tântalo e nióbio tendem a se difundir nas falhas. Como resultado, uma fase nova e muito estável de material formado bem nas falhas. A nova fase era tão estável que resistiu à formação de nano gêmeos.

A tendência de átomos específicos se difundirem nas nano falhas gêmeas depende da composição geral da liga, os pesquisadores descobriram. "Descobrimos que quando a quantidade de titânio, tântalo, e o nióbio na liga foi aumentado, enquanto diminui o cobalto e o cromo, poderíamos realmente fortalecer a região em torno das falhas e evitar que a falha se tornasse um nano gêmeo, "Smith disse.

A combinação inovadora dos pesquisadores de imagens de nível atômico e computação de ponta é uma característica única da pesquisa feita no CEMAS, disse David McComb, coautor do estudo e diretor do CEMAS.

"Pesquisas como essa ilustram perfeitamente o poder do CEMAS em ajudar a impulsionar a descoberta de novos materiais e processos, " ele adicionou.

A equipe continua a estudar o fortalecimento da transformação de fase, para ver se adaptar as composições da liga de maneiras diferentes pode aumentar o efeito.

Smith obteve seu doutorado realizando este trabalho, e agora é engenheiro de materiais de pesquisa no NASA Glenn Research Center. Os co-autores do artigo incluem Robert Williams, diretor adjunto do CEMAS; Wolfgang Windl, professor de ciência e engenharia de materiais; Hamish Fraser, Ohio Eminent Scholar e professor de ciência e engenharia de materiais; e os alunos de doutorado Bryan Esser e Nikolas Antolin, todo o estado de Ohio; Anna Carlsson da FEI / Thermo Fisher Scientific; e Andrew Wessman da GE.