De ferreiros forjando ferro a artesãos soprando vidro, os humanos vêm mudando há séculos as propriedades dos materiais para construir ferramentas melhores - de ferraduras e espadas de ferro a potes de vidro e frascos de remédios.

Na vida moderna, novos materiais são criados para melhorar os itens de hoje, como aço mais resistente para arranha-céus e semicondutores mais confiáveis ​​para telefones celulares.

Agora, pesquisadores do Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia (DOE) descobriram uma nova abordagem para detalhar a formação dessas mudanças materiais em escala atômica e em tempo quase real, uma etapa importante que poderia auxiliar na engenharia de novos materiais melhores e mais fortes.

Em um estudo publicado em 16 de janeiro em Materiais da Natureza , pesquisadores da Fonte Avançada de Fótons de Argonne, um DOE Office of Science User Facility, revelam que eles capturaram - pela primeira vez na história - imagens da criação de defeitos estruturais no paládio quando o metal é exposto ao hidrogênio.

Esse recurso de imagem ajudará os pesquisadores a validar modelos que prevêem o comportamento dos materiais e como eles formam os defeitos. A engenharia de defeitos é a prática de criar intencionalmente defeitos em um material para alterar as propriedades do material. Esse conhecimento é a chave para uma melhor engenharia, materiais mais fortes e confiáveis ​​para edifícios, semicondutores, baterias, dispositivos tecnológicos e muitos outros itens e ferramentas.

"A engenharia de defeitos é baseada na ideia de que você pode pegar algo que já conhece as propriedades e, colocando em defeitos ou imperfeições, coisas de engenharia com propriedades aprimoradas, "disse o estudioso de Argonne, Andrew Ulvestad, um dos autores do estudo. “A prática se aplica não apenas a metais, mas a qualquer material que tenha uma estrutura cristalina, como aqueles encontrados em células solares e cátodos de bateria. "

A engenharia de defeitos é usada para otimizar o design de materiais em uma variedade de campos, mas é mais comumente associado ao desenvolvimento de semicondutores. Materiais semicondutores, como silício, são usados ​​como componentes elétricos; eles formam a base para a maior parte de nossa eletrônica moderna, incluindo laptops e telefones celulares.

Em um processo conhecido como "doping, “os fabricantes criam defeitos nesses materiais adicionando impurezas a fim de manipular suas propriedades elétricas para diversos usos tecnológicos.

Embora os fabricantes saibam que podem alterar as propriedades de vários materiais para obter os atributos que desejam, os processos que regem essas mudanças nem sempre são claros.

Para aumentar a compreensão de tais processos, Os pesquisadores da Argonne se concentraram especificamente na formação de defeitos em nanoescala. Defeitos, interfaces e flutuações neste nível muito pequeno podem fornecer uma visão crítica sobre as funcionalidades dos materiais, como sua térmica, propriedades eletrônicas e mecânicas, em uma escala maior.

Para capturar a formação de defeitos, a equipe de Argonne pegou uma amostra nanoestruturada de paládio e injetou, ou infundido, com hidrogênio em alta pressão. Ao mesmo tempo, eles expuseram a amostra a poderosos raios-X na Fonte Avançada de Fótons.

Ao atingir o cristal de paládio, os raios-X espalhados, e seu padrão de dispersão foi capturado por um detector e usado para calcular as mudanças na posição dos átomos dentro da estrutura do paládio. Essencialmente, este processo permitiu aos pesquisadores "ver" deformações dentro do material.

"Em algumas formas, temos a chance de um em um milhão, porque os defeitos que ocorrem dentro do cristal nem sempre acontecem devido à natureza complexa do processo, "disse o físico de Argonne Ross Harder, outro autor do estudo.

As mudanças mostradas nas varreduras exemplificam as inúmeras maneiras pelas quais os defeitos podem alterar as propriedades dos materiais e como eles respondem a estímulos externos. Por exemplo, os defeitos que se formaram alteraram as pressões nas quais o paládio poderia armazenar e liberar hidrogênio, conhecimento que pode ser útil para o armazenamento de hidrogênio, aplicações de detecção e purificação, disseram os pesquisadores.

Abordagens de engenharia de defeitos já estão sendo usadas para estudar outros sistemas, incluindo nanopartículas de cátodo de bateria. Contudo, o estudo liderado por Ulvestad e Harder é o primeiro a captar a formação de defeitos à medida que vão acontecendo.

"O que fizemos foi criar um roteiro para outros pesquisadores. Mostramos a eles uma maneira de modelar este sistema e sistemas com dinâmicas semelhantes, "Ulvestad disse.