Pesquisadores do Instituto de Tecnologia Technion-Israel e da Alemanha demonstraram pela primeira vez os fenômenos de memória de forma e autocura em micropartículas de ouro. Alcançado através da difusão mediada por defeitos na partícula, a descoberta pode um dia levar ao desenvolvimento de micro e nano robôs capazes de autorreparação; componentes e dispositivos mecanicamente estáveis ​​e tolerantes a danos; e distribuição direcionada de drogas.

O estudo, publicado na revista Advanced Science, foi conduzido pelo estudante de doutorado Oleg Kovalenko e Dr. Leonid Klinger, liderado pelo Prof. Eugen Rabkin do Departamento Technion de Ciência e Engenharia de Materiais, junto com o Dr. Christian Brandl do Instituto de Tecnologia de Karlsruhe, Alemanha (KIT).

Os materiais com memória de forma são caracterizados pela capacidade de reparar os danos causados ​​a eles (como deformação plástica) e de recuperar sua forma original. Esses materiais podem existir em duas formas cristalinas estáveis, ou fases:austenita, qual é a forma primária mais simétrica estável em temperaturas elevadas; e martensita, que é uma fase caracterizada por simetria inferior, mas também com maior força. Um exemplo bem conhecido de transição entre as duas fases é a têmpera do aço.

A transformação da fase de austenita em martensita pode ser ativada pela aplicação de carga mecânica ao material, ou esfriando-o. A estrutura de baixa simetria da martensita permite que o material absorva considerável deformação plástica, reorientando os cristais distorcidos de martensita de acordo com a direção da tensão aplicada a ela. Mesmo após a deformação plástica, os cristais de martensita "lembram" sua fase de austenita-mãe e são capazes de restaurá-la em sua configuração original. Isso acontecerá se o material for aquecido, causando a transformação reversa da fase martensita-austenita e transformando a energia térmica em energia mecânica que irá restaurar o material à sua forma original.

Até agora, este efeito de memória de forma só foi observado em muito poucas ligas metálicas, como o nitinol (Ni-Ti). Essas ligas são caracterizadas por polimorfismo - multiplicidade de possíveis fases cristalinas estáveis. Esta é a primeira vez que o fenômeno da memória de forma foi demonstrado em partículas de ouro submicrométricas. Os pesquisadores identificaram as partículas de ouro com uma ponta de diamante afiada controlada por um microscópio de força atômica (AFM). O recozimento das partículas recortadas a uma temperatura de 600 ° C (cerca de 65% da temperatura absoluta de fusão do ouro) resultou na cura total do dano e na recuperação da forma original das partículas antes da deformação.

De acordo com o Prof. Rabkin, a descoberta do efeito de memória de forma nessas partículas é surpreendente por duas razões:"Primeiro, a forma original das partículas não era perfeita em termos de energia e equilíbrio termodinâmico. Segundo, ouro em seu estado sólido não é caracterizado por polimorfismo. "

Para entender o processo em profundidade, os pesquisadores investigaram o movimento atômico durante a indentação e aquecimento, usando simulações de computador dinâmicas moleculares atomísticas. Eles demonstraram que a deformação plástica durante o processo de indentação é mediada por nucleação e deslizamento de meio-loops de deslocamento (os deslocamentos são lineares, defeitos unidimensionais no cristal através do qual sofre deformação plástica). Os loops que saem das superfícies livres formam terraços e saliências nas facetas planas da partícula, e estes servem como "trilhos-guia", direcionando a difusão dos átomos de ouro de volta ao local recortado durante o recozimento em alta temperatura. Assim, a partícula recupera sua forma original.

Como o café que volta sozinho para a xícara

Tanto a deformação plástica quanto a difusão conduzida por capilares são exemplos clássicos de processos termodinamicamente irreversíveis. É notável que uma combinação de dois processos irreversíveis pode levar à recuperação de danos e à restauração reversível da forma de uma partícula. Para entender como esse processo é surpreendente, pense no café derramado pulando do chão para a xícara, ou um carro que recupera sua forma original após ser destruído em um acidente.

O professor Rabkin diz que o efeito descoberto de autocura e memória de forma em nano e micropartículas metálicas pode ser utilizado para o projeto de componentes e dispositivos mecanicamente estáveis ​​e tolerantes a danos na escala de comprimento submicrométrico.

Por exemplo, um dos principais motivos de falha de dispositivos eletrônicos móveis (como tablets e smartphones) é o desgaste mecânico dos contatos elétricos. Projetar uma geometria de contato com base no efeito de memória de forma descoberto pode resolver este problema de uma vez por todas:a corrente elétrica fluindo através do contato elétrico danificado aquece a área de contato, e o calor será utilizado para reparar o dano mecânico do contato. Outro uso possível é a liberação controlada de medicamentos em áreas específicas do corpo do paciente. Para este aplicativo, as partículas capazes de recuperar sua forma em temperaturas mais baixas devem ser projetadas. Um medicamento pode ser injetado na cavidade na superfície da partícula produzida por indentação, e liberado após o aquecimento.