A alta pressão pode ser a chave para fazer misturas de metal avançadas que são mais leves, mais forte e mais resistente ao calor do que as ligas convencionais, sugere um novo estudo de pesquisadores de Stanford.

Os humanos têm misturado metais para criar ligas com propriedades únicas por milhares de anos. Mas as ligas tradicionais geralmente consistem em um ou dois metais dominantes com uma pitada de outros metais ou elementos inseridos. Os exemplos clássicos incluem a adição de estanho ao cobre para fazer bronze, ou carbono para ferro para criar aço.

Em contraste, Ligas de "alta entropia" consistem em vários metais misturados em quantidades aproximadamente iguais. O resultado são ligas mais fortes e leves, mais resistentes ao calor, corrosão e radiação, e que pode até possuir mecânica única, propriedades magnéticas ou elétricas.

Apesar do interesse significativo dos cientistas materiais, ligas de alta entropia ainda precisam dar o salto do laboratório para os produtos reais. Uma das principais razões é que os cientistas ainda não descobriram como controlar com precisão o arranjo, ou estrutura de embalagem, dos átomos constituintes. Como os átomos de uma liga são organizados pode influenciar significativamente suas propriedades, ajudando a determinar, por exemplo, se é rígido ou dúctil, forte ou quebradiço.

"Algumas das ligas mais úteis são feitas de átomos de metal dispostos em uma combinação de estruturas de empacotamento, "disse o primeiro autor do estudo, Cameron Tracy, um pesquisador de pós-doutorado na Escola da Terra de Stanford, Energia e Ciências Ambientais e Centro para Segurança e Cooperação Internacional (CISAC).

Uma nova estrutura

A data, os cientistas só foram capazes de recriar dois tipos de estruturas de empacotamento com a maioria das ligas de alta entropia, denominado cúbica centrada no corpo e cúbica centrada na face. Um terceiro, estrutura de empacotamento comum em grande parte escapou aos esforços dos cientistas - até agora.

No novo estudo, publicado online no jornal Nature Communications , Tracy e seus colegas relatam que criaram com sucesso uma liga de alta entropia, feito de metais comuns e facilmente disponíveis, com uma estrutura denominada hexagonal close-pack (HCP).

"Um pequeno número de ligas de alta entropia com a estrutura HCP foi feito nos últimos anos, mas eles contêm muitos elementos exóticos, como metais alcalinos e metais de terras raras, "Tracy disse." O que conseguimos fazer foi fazer uma liga de alta entropia HCP de metais comuns que são normalmente usados ​​em aplicações de engenharia. "

O truque, parece, é de alta pressão. Tracy e seus colegas usaram um instrumento chamado célula de bigorna de diamante para submeter pequenas amostras de uma liga de alta entropia a pressões de até 55 gigapascais - aproximadamente a pressão que encontraríamos no manto terrestre. "A única vez que você veria naturalmente essa pressão na superfície da Terra é durante um impacto de meteorito realmente grande, "Tracy disse.

A alta pressão parece desencadear uma transformação na liga de alta entropia que a equipe usou, que consistia em manganês, cobalto, ferro, níquel e cromo. "Imagine os átomos como uma camada de bolas de pingue-pongue sobre uma mesa, e, em seguida, adicionar mais camadas na parte superior. Isso pode formar uma estrutura de empacotamento cúbico centrado na face. Mas se você mudar algumas das camadas ligeiramente em relação à primeira, você obteria uma estrutura hexagonal compactada, "Tracy disse.

Os cientistas especularam que o motivo pelo qual as ligas de alta entropia não sofrem essa mudança naturalmente é porque as forças magnéticas de interação entre os átomos de metal impedem que isso aconteça. Mas a alta pressão parece atrapalhar as interações magnéticas.

"Quando você pressuriza um material, você empurra todos os átomos para mais perto. Muitas vezes, quando você compacta algo, torna-se menos magnético, "Disse Tracy." Isso é o que parece estar acontecendo aqui:comprimir a liga de alta entropia a torna não magnética ou quase não magnética, e uma fase HCP é subitamente possível. "

Configuração estável

Interessantemente, a liga retém uma estrutura HCP mesmo depois que a pressão é removida. "A maior parte do tempo, quando você tira a pressão, os átomos voltam à configuração anterior. Mas isso não está acontecendo aqui, e isso é realmente surpreendente, "disse a co-autora do estudo Wendy Mao, um professor associado de ciências geológicas na Escola da Terra de Stanford, Energia e Ciências Ambientais.

A equipe também descobriu que, aumentando lentamente a pressão, eles poderiam aumentar a quantidade de estrutura de pacote fechado hexagonal em sua liga. "Isso sugere que é possível adaptar o material para nos dar exatamente as propriedades mecânicas que desejamos para uma aplicação específica, "Tracy disse.

Por exemplo, motores de combustão e usinas de energia funcionam com mais eficiência em altas temperaturas, mas ligas convencionais tendem a não ter um bom desempenho em condições extremas porque seus átomos começam a se mover e se tornam mais desordenados.

"Ligas de alta entropia, Contudo, já possuem um alto grau de desordem devido às suas naturezas altamente mescladas, "Tracy disse." Como resultado, eles têm propriedades mecânicas que são ótimas em baixas temperaturas e permanecem ótimas em altas temperaturas. "

No futuro, os cientistas de materiais podem ajustar as propriedades das ligas de alta entropia ainda mais misturando diferentes metais e elementos. "Há uma grande parte da tabela periódica e tantas permutações a serem exploradas, "Mao disse.