p Resfriando materiais super-rápido, chamado de solidificação rápida, impede que as estruturas cristalinas normais de materiais se formem, frequentemente criando propriedades exclusivas no processo. Se as técnicas de crescimento de cristal único se situam em uma extremidade do espectro de síntese de materiais, promovendo o crescimento da estrutura cristalina de equilíbrio desse material, técnicas de solidificação rápida promovem o efeito oposto, resfriar o material tão rapidamente de líquido para sólido, que os cristais formados são pequenos, ou, em alguns casos, inexistente, tornando-se amorfo ou semelhante ao vidro, sem nenhum padrão cristalino discernível em sua estrutura molecular geral. p É também uma maneira de formar materiais compostos cujos constituintes têm temperaturas de "congelamento" amplamente variáveis.

p "Se você pegar um metal fundido e resfriá-lo, o que deseja formar irá variar dependendo de sua química, "disse o cientista do Ames Laboratory e o diretor da Divisão de Ciências e Engenharia de Materiais Matt Kramer, “porque o que se quer formar nem sempre é um sólido homogêneo”.

p Por exemplo, se você congelar uma mistura de água e álcool, a água vai solidificar primeiro - transformando-se em gelo - enquanto o álcool permanece líquido, deixando uma mistura lamacenta até que a temperatura baixe para a temperatura de congelamento do álcool.

p "Então, quando você fundir uma liga fundida, pequenos cristais se formarão rapidamente na superfície do molde, você obtém a segregação dos materiais e o líquido restante torna-se enriquecido, "disse Kramer, que também é professor adjunto de ciência e engenharia de materiais da Iowa State University, "que resulta em um material a granel heterogêneo."

p A solidificação rápida permite que o material resfrie com extrema rapidez de forma a suprimir ou até eliminar a segregação. As técnicas variam de fundição em faixa, que resfria os materiais em cerca de 1, 000 Kelvins por segundo para respingos de têmpera que, como o nome implica, esmaga uma gota de material líquido entre duas placas. A têmpera por splat pode resfriar o material em até 108 Kelvins por segundo.

p "Por que isso é importante? Porque há uma relação íntima entre a temperatura e o tempo em que os materiais esfriam, "Kramer disse." Nós o chamamos de TTT - Transformação Tempo-Temperatura. "

p Leva um certo tempo finito para os cristais iniciais se formarem, um processo denominado nucleação. O material fundido precisa se organizar em cristais com apenas alguns 10s de átomos de diâmetro e, então, esses cristais precisam crescer.

p "Há uma relação muito não linear entre a transformação do tempo e da temperatura, "Kramer continuou." A solidificação ocorre em uma ampla faixa de temperaturas. Em uma temperatura muito alta, ele permanece derretido. A uma temperatura logo abaixo da temperatura de fusão, o material se solidifica lentamente, e nos casos em que os constituintes têm diferentes temperaturas de fusão, segregação significativa na fundição pode ocorrer se resfriado lentamente.

p Técnicas de solidificação rápida permitem que os pesquisadores contornem a transformação tempo-temperatura para que uma liga de metal fundido se forme sem uma ordem cristalina, criando um vidro metálico.

p "Os metais vítreos têm algumas propriedades muito incomuns, "Kramer disse." Em média, eles tendem a ter uma força muito boa, mas não muita plasticidade, por isso são difíceis de moldar em formas. "

p Contudo, formando primeiro um vidro metálico, em seguida, aquecer o material de volta, os pesquisadores podem alcançar fases metaestáveis ​​do material que não são atingíveis por outros métodos, como o elenco. E essas fases intermediárias podem ter propriedades desejáveis, como resistência, ductilidade, resistividade, ou condutividade.

p "Manipulando as fases, seus tamanhos, o grau em que podemos controlar seu crescimento, e até mesmo sua morfologia, ou formas, estão todos enterrados nos detalhes da transformação clássica tempo-temperatura, "Kramer disse." Muito do trabalho que estamos fazendo é tentar entender o equilíbrio relativo das taxas de resfriamento para o processo de seleção de fase. Como podemos prever e controlar aqueles para que possamos ir além de uma abordagem Edisoniana. "

p Os pesquisadores do Laboratório Ames usam várias técnicas, incluindo fiação por fusão e fundição por injeção para produzir materiais amorfos e de grãos pequenos.

p Derreter girando

p Esta técnica envolve disparar um fluxo de material fundido em uma roda giratória de cobre, onde se solidifica rapidamente, formando uma fita de metal. A roda de cobre é normalmente resfriada a água e dependendo da velocidade em que gira, até 30 metros por segundo, o metal fundido é temperado em até 106 Kelvins por segundo.

p “Existem limites para o processo, "disse o cientista do Ames Laboratory e professor associado de ciência dos materiais e engenharia da ISU, Jun Cui." A roda de cobre deve estar perfeitamente equilibrada para girar em velocidades tão altas. E além de um certo ponto, o material não flui mais em uma fita, mas se separa. "

p Também há uma variação no processo em que a roda de cobre tem pequenas ranhuras cortadas em sua superfície. Essas ranhuras quebram intencionalmente o metal resfriado em tiras curtas, que

p Cui disse que são mais fáceis de trabalhar em alguns aplicativos.

p Fundição por injeção

p Como o nome implica, fundição por injeção força o material fundido em um molde de cobre, normalmente um pequeno cilindro que produzirá hastes curtas de um a quatro milímetros de diâmetro.

p O molde é mantido dentro de um molde maior de cobre resfriado a água, fornecendo taxas de resfriamento rápidas o suficiente para produzir amostras amorfas (vítreas) em algumas ligas.

p "Pequenas amostras - geralmente menos de cinco gramas - são colocadas em um bico de grafite ou quartzo e rapidamente aquecidas por indução a várias centenas de graus acima do ponto de fusão, "disse Matt Besser, Cientista do Laboratório Ames e gerente do Centro de Preparação de Materiais do Laboratório. "Em seguida, retiramos o material da zona de aquecimento e pressurizamos o sistema para que o material entre no molde."

p Usando moldes de diferentes formatos, o material pode ser fundido em placas, ou cunhas. Besser disse que os termopares podem ser colocados ao longo do comprimento da cunha para medir a diferença nas taxas de resfriamento da mais rápida na ponta fina para a mais lenta na extremidade mais espessa.

p "Somos capazes de fabricar amostras para atender a necessidades específicas, "Besser disse, "e é conveniente porque podemos produzir pequenas amostras, especialmente quando a liga contém materiais caros. "

p Buscando explicações para quebra-cabeças de solidificação

p Uma das maneiras mais comuns e robustas de criar um novo material, particularmente uma liga metálica, é derreter dois ou mais materiais constituintes, misture-os no estado líquido, em seguida, congele-os ou "solidifique-os" sob certas condições controladas. Embora pareça simples, o processamento de solidificação pode produzir uma variedade incrível de estruturas de materiais com características importantes em escalas de nanômetros a centímetros, dando origem a uma série de propriedades notáveis ​​que variam de resistência e rigidez aprimoradas a magnética incomum, térmico, elétrico, e propriedades fotônicas.

p Mas a composição e estrutura, e, portanto, as propriedades, desse resultado final pode variar muito, dependendo de uma variedade de condições presentes na transição do material de líquido para sólido. O cientista do Ames Laboratory Ralph Napolitano trabalha para explicar e prever o que acontece nessa interface líquido-sólido e como essas várias interações resultam em certas estruturas, químicas e propriedades.

p “Quando um material passa da fase líquida para a fase sólida, muitas coisas devem acontecer como parte dessa transformação, "disse Napolitano, que também é professor de ciência e engenharia de materiais da Iowa State University. "Nominalmente falando, uma fase líquida amorfa ou não cristalina precisa se reconfigurar em algum tipo de empacotamento cristalino. Mas muitos outros eventos simultâneos estão ocorrendo para que isso aconteça. De fato, é a maneira como os diferentes processos de transporte e diferentes entidades estruturais entram nessa equação que realmente influencia a aparência dessa estrutura final. "

p Se o equilíbrio produzir o resultado normal ou esperado, existem todos os tipos de desvios que podem desviar o resultado do equilíbrio. Alguns deles são desvios muito pequenos, tais como composições químicas ligeiramente diferentes ou concentrações ligeiramente diferentes de diferentes tipos de defeitos cristalinos. Os desvios também podem ser muito grandes - empacotamento ou composição cristalina completamente diferente ou mesmo uma série de fases múltiplas que você talvez nunca veja mais perto do equilíbrio.

p "O que dita o quão longe do estado de equilíbrio final você pode estar é o que acontece ao longo desse caminho do líquido de equilíbrio para esta estrutura longe do equilíbrio, "Napolitano disse." Variar a composição de um material e a taxa com que o resfriamos tem uma influência dramática sobre a fase final ou montagem. "

p "Além de apenas a fase - a estrutura cristalina particular - as condições durante o congelamento influenciam muito a morfologia do crescimento, "ele continuou." Qualquer fase crescerá com uma certa morfologia que é dinamicamente otimizada em relação a todos os diferentes processos - como a redistribuição de calor, compostos químicos, e configuração de defeitos cristalinos - tornando a transformação geral mais eficiente. Composição e taxa de resfriamento, junto com a própria fase e as energias dos defeitos e interfaces do cristal, todos desempenham um papel nesta otimização dinâmica coletiva, em última análise, resultando na seleção do estado final, que pode não se parecer em nada com o estado de equilíbrio.

p "Esta síntese longe do equilíbrio fornece um portal ou caminho para estruturas, quimicas, e propriedades que não são acessíveis por meio de métodos convencionais, "Napolitano disse.

p Para complicar as coisas, essas vias podem incluir várias outras etapas - antes e depois da solidificação, de modo que a estrutura de congelamento complexa pode servir apenas como um estágio intermediário, ao longo do caminho para uma estrutura desejada.

p A taxa de resfriamento fornece um alto nível de controle em certas janelas. No final baixo (lento), a taxa de resfriamento pode ser controlada com muito cuidado, e mesmo as taxas de resfriamento de tratamentos isotérmicos a 100 graus por segundo podem ser razoavelmente bem controladas.

p “Podemos chegar a taxas de resfriamento de 10 ³ a 10 ⁴ graus por segundo com técnicas como giro derretido, mas dentro daquela janela, o controle do processo é desafiador e existem variações locais, "Napolitano disse." Nós investigamos essas variações, e nosso entendimento certamente aumentou. Mesmo assim, com relativamente poucos 'botões de processo' para girar (por exemplo, temperatura de fusão, velocidade da roda, material da roda, taxa de injeção e diâmetro do fluxo), o controle quantitativo preciso continua sendo um verdadeiro desafio. "

p Como estratégia para revelar uma imagem mais clara dos comportamentos complexos, O grupo de Napolitano optou por se concentrar em alguns sistemas selecionados de dois componentes ou "binários". Em particular, sistemas binários, como cobre-zircônio e alumínio-samário, fornecem grandes oportunidades para investigar a transformação longe do equilíbrio. Esses sistemas exibem solidificação competitiva complexa, formação de vidro, e cristalização, formando uma série de fases de não equilíbrio e estruturas de crescimento em várias escalas. Ao mesmo tempo, com apenas dois componentes, o tratamento analítico e computacional da termodinâmica e cinética torna-se mais tratável, em comparação com sistemas multicomponentes.

p "Com esses dois sistemas, há uma faixa de composição sobre a qual o líquido forma um vidro com bastante facilidade para que você possa resfriá-lo a taxas que são alcançáveis ​​experimentalmente, "Napolitano disse." Uma vez que a liga é vítrea, outros tratamentos podem ser usados ​​para cristalizar o material em baixa temperatura. Neste regime, as condições podem ser controladas com cuidado, e as reações podem ser substancialmente retardadas, até permitindo investigação em tempo real in-situ. Claro, ter uma imagem precisa e abrangente da termodinâmica do sistema é fundamental. Esteja você solidificando o material diretamente de um líquido, ou primeiro resfriamento em vidro e, em seguida, aquecimento para cristalizar o material, você ainda tem o mesmo campo de jogo termodinâmico. "

p O trabalho de alumínio-samário está sendo expandido para uma gama maior de binários, incluindo outras ligas de terras raras de alumínio. Em geral, espera-se que esses sistemas exibam comportamentos semelhantes, embora Napolitano avise que efeitos muito sutis podem inclinar drasticamente o equilíbrio entre as diferentes fases e estruturas de crescimento. Existem diferenças energéticas muito pequenas entre as fases concorrentes. Sob altas forças motrizes, essas diferenças costumam ser desprezíveis e as vias cinéticas controlam o resultado. Mesmo mudanças na composição química da ordem de 1% ou menos podem alterar dramaticamente o estado final.

p "Este tipo de estudo só é possível reunindo muitas abordagens diferentes em física da matéria condensada teórica, Ciência de materiais, termodinâmica computacional, síntese de materiais, e caracterização de ponta, "Napolitano disse." Não há dúvida de que este trabalho requer toda a gama de capacidade experimental e computacional e uma equipe de investigadores com uma ampla gama de conhecimentos. "

p Para esse fim, o novo equipamento de microscopia eletrônica do Sensitive Instrument Facility (SIF) do Ames Laboratory terá um papel vital. “É importante não apenas em termos de resolução espacial, mas também alguns dos recursos in situ, ", disse ele." A microscopia eletrônica de transmissão de estágio quente com resolução em escala atômica nos permitirá observar algumas das dinâmicas de estágio inicial que realmente são eventos de bacias hidrográficas que tendem a enviar o material por uma trajetória totalmente diferente. Então, absolutamente, o SIF é fundamental para avançar nesta área. "