p A maioria dos metais e semicondutores, do aço em uma lâmina de faca ao silício em um painel solar, são feitos de muitos pequenos grãos cristalinos. A forma como esses grãos se encontram em suas bordas pode ter um grande impacto nas propriedades do sólido, incluindo resistência mecânica, condutividade elétrica, propriedades térmicas, flexibilidade, e assim por diante. p Quando os limites entre os grãos são de um tipo específico, chamado de limite gêmeo coerente (CTB), isso adiciona propriedades úteis a certos materiais, especialmente em nanoescala. Isso aumenta sua força, tornando o material muito mais resistente, preservando sua capacidade de ser deformado, ao contrário da maioria dos outros processos que adicionam força. Agora, pesquisadores descobriram um novo mecanismo de deformação desses limites de cristal gêmeo, o que pode ajudar os engenheiros a descobrir como usar os CTBs com mais precisão para ajustar as propriedades de alguns materiais.

p Ao contrário das expectativas, Acontece que os grãos de cristal de um material às vezes podem deslizar ao longo desses CTBs. A nova descoberta é descrita em artigo publicado esta semana na revista. Nature Communications por Ming Dao, um cientista pesquisador principal no Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais do MIT; Subra Suresh, o Professor Emérito de Engenharia Vannevar Bush e presidente designado da Universidade Tecnológica de Nanyang em Cingapura; Ju Li, o Professor da Battelle Energy Alliance no Departamento de Ciência e Engenharia Nuclear do MIT; e sete outros no MIT e em outros lugares.

p Embora cada grão de cristal seja composto de uma matriz ordenada tridimensional de átomos em uma estrutura de rede, CTBs são lugares onde, nos dois lados de uma fronteira, a rede forma uma imagem espelhada da estrutura do outro lado. Cada átomo em cada lado do limite gêmeo coerente é exatamente igualado por um átomo em uma localização simétrica em espelho do outro lado. Muitas pesquisas nos últimos anos mostraram que as redes que incorporam CTBs em nanoescala podem ter uma resistência muito maior do que o mesmo material com limites de grãos aleatórios, sem perder outra propriedade útil chamada ductilidade, que descreve a capacidade de um material ser esticado.

p Algumas pesquisas anteriores sugeriram que esses limites de cristal gêmeo são incapazes de deslizar devido ao número limitado de defeitos. De fato, nenhuma observação experimental de tal deslizamento foi relatada antes à temperatura ambiente. Agora, uma combinação de análise teórica e trabalho experimental relatado no Nature Communications papel mostrou que, de fato, sob certos tipos de cargas, esses grãos podem deslizar ao longo da fronteira. Compreender essa propriedade será importante para desenvolver maneiras de projetar propriedades de materiais para otimizá-las para aplicações específicas, Dao diz.

p "Muitos materiais nanocristalinos de alta resistência [com tamanhos de grãos medidos em menos de 100 nanômetros] têm baixa ductilidade e propriedades de fadiga, e o fracasso cresce muito rapidamente com pouco alongamento, "diz ele. Por outro lado, nos metais que incorporam CTBs, que “aumenta a resistência e preserva a boa ductilidade”. Mas entender como esses materiais se comportam quando submetidos a várias tensões mecânicas é importante para poder aproveitá-los para usos estruturais. Por uma coisa, isso significa que a forma como o material se deforma é bastante irregular:distorções na direção dos planos dos CTBs podem acontecer muito mais prontamente do que em outras direções.

p O experimento foi realizado com cobre, mas os resultados devem se aplicar a alguns outros metais com estruturas cristalinas semelhantes, como ouro, prata, e platina. Esses materiais são amplamente utilizados em dispositivos eletrônicos, Dao diz. "Se você projetar esses materiais" com estruturas na faixa de tamanho explorada neste trabalho, que envolve recursos menores do que algumas centenas de nanômetros de diâmetro, "você precisa estar ciente desses tipos de modos de deformação."

p O deslizamento, uma vez compreendido, pode ser usado para vantagens significativas. Por exemplo, os pesquisadores poderiam projetar nanoestruturas extremamente fortes com base na dependência de orientação conhecida; ou sabendo o tipo e a direção da força necessária para iniciar o deslizamento, pode ser possível projetar um dispositivo que poderia ser ativado, como um alarme, em resposta a um nível específico de estresse.

p "Este estudo confirmou o deslizamento do CTB, o que antes era considerado impossível, e suas condições particulares de direção, "diz Zhiwei Shan, co-autor sênior e reitor da Escola de Ciência e Engenharia de Materiais da Universidade Xi'an Jiao Tong na China. "Muitas coisas podem se tornar possíveis quando uma ativação anteriormente desconhecida ou condições de habilitação são descobertas."

p “Este trabalho identificou através de experimentos sistemáticos e análises a ocorrência de uma característica mecânica importante que é encontrada apenas em certos tipos especiais de interfaces e em nanoescala. Dado que este fenômeno pode ser potencialmente aplicável a uma ampla gama de materiais cristalinos, pode-se imaginar novas abordagens de design de materiais envolvendo nanoestruturas para otimizar uma variedade de características mecânicas e funcionais, "Suresh diz.

p "Esta descoberta pode mudar fundamentalmente nossa compreensão da deformação plástica em metais nanotwinned e deve ser de amplo interesse para a comunidade de pesquisa de materiais, "diz Huajian Gao, o professor de engenharia Walter H. Annenberg da Brown University, que não estava envolvido neste trabalho.

p Gao acrescenta que "os CTBs são essenciais para a engenharia de novos materiais nanotwinados com propriedades mecânicas e físicas superiores, como resistência, ductilidade, dureza, condutividade elétrica, e estabilidade térmica. Este artigo avança significativamente nosso conhecimento neste campo, revelando o deslizamento em grande escala de CTBs. " p Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.