Quando minúsculas partículas atingem uma superfície de metal em alta velocidade, por exemplo, como revestimentos sendo pulverizados ou como micrometeoritos bombardeando uma estação espacial, o momento do impacto acontece tão rápido que os detalhes do processo não foram claramente compreendidos, até agora.

Uma equipe de pesquisadores do MIT acaba de realizar a primeira imagem detalhada de alta velocidade e análise do processo de impacto das micropartículas, e usou esses dados para prever quando as partículas irão ricochetear, bastão, ou retire o material da superfície e enfraqueça-o. As novas descobertas são descritas em um artigo publicado hoje na revista. Nature Communications .

Mostafa Hassani-Gangaraj, um pós-doutorado do MIT e o autor principal do artigo, explica que os impactos de micropartículas de alta velocidade são usados ​​para muitos fins na indústria, por exemplo, para aplicar revestimentos, limpar superfícies, e materiais de corte. Eles são aplicados em uma espécie de versão superpoderosa de jato de areia que impulsiona as partículas em velocidades supersônicas. Esse jateamento com micropartículas também pode ser usado para fortalecer superfícies metálicas. Mas, até agora, esses processos foram controlados sem uma compreensão sólida da física subjacente do processo.

“Existem muitos fenômenos diferentes que podem ocorrer” no momento do impacto, Hassani-Gangaraj diz, mas agora, pela primeira vez, os pesquisadores descobriram que um breve período de fusão após o impacto desempenha um papel crucial na erosão da superfície quando as partículas se movem a velocidades acima de um certo limite.

Essa é uma informação importante porque a regra em aplicações industriais é que velocidades mais altas sempre levam a melhores resultados. As novas descobertas mostram que nem sempre é esse o caso, e "devemos estar cientes de que existe esta região na extremidade superior" da faixa de velocidades de impacto, onde a eficácia do revestimento (ou reforço) diminui em vez de melhorar, Hassani-Gangaraj diz. "Para evitar isso, precisamos ser capazes de prever "a velocidade com que os efeitos mudam.

Os resultados também podem lançar luz sobre situações em que os impactos são descontrolados, como quando partículas transportadas pelo vento atingem as pás de turbinas eólicas, quando as micropartículas atingem espaçonaves e satélites, ou quando pedaços de rocha e areia carregados em um fluxo de óleo ou gás corroem as paredes dos oleodutos. “Queremos entender os mecanismos e as condições exatas em que esses processos de erosão podem acontecer, "Diz Hassani-Gangaraj.

O desafio de medir os detalhes desses impactos foi duplo. Primeiro, os eventos de impacto ocorrem extremamente rápido, com partículas viajando a mais de um quilômetro por segundo (três ou quatro vezes mais rápido do que aviões a jato de passageiros). E em segundo lugar, as próprias partículas são tão minúsculas, cerca de um décimo da espessura de um cabelo, que observá-los também requer uma ampliação muito alta. A equipe usou um teste de impacto de micropartículas desenvolvido no MIT, que pode gravar vídeos de impacto com taxas de quadros de até 100 milhões de quadros por segundo, para realizar uma série de experimentos que agora delinearam claramente as condições que determinam se uma partícula irá ricochetear em uma superfície, cumpri-lo, ou corroer a superfície por derretimento.

Para seus experimentos, a equipe usou partículas de estanho de cerca de 10 micrômetros (centésimos de milésimos de metro) de diâmetro, acelerado a velocidades que variam até 1 quilômetro por segundo e atingindo uma superfície de estanho. As partículas foram aceleradas usando um feixe de laser que instantaneamente evapora a superfície do substrato e ejeta as partículas no processo. Um segundo feixe de laser foi usado para iluminar as partículas voadoras à medida que atingiam a superfície.

Estudos anteriores se basearam em análises post-mortem - estudando a superfície após o impacto ter ocorrido. Mas isso não permitiu a compreensão da complexa dinâmica do processo. Foi apenas a imagem de alta velocidade que revelou que a fusão da partícula e da superfície ocorreu no momento do impacto, nos casos de alta velocidade.

A equipe usou os dados desses experimentos para desenvolver um modelo geral para prever a resposta de partículas de um determinado tamanho viajando a uma determinada velocidade, diz David Veysset, pesquisador da equipe do MIT e co-autor do artigo. Até aqui, ele diz, eles usaram metais puros, mas a equipe planeja mais testes usando ligas e outros materiais. Eles também pretendem testar impactos em uma variedade de ângulos diferentes dos impactos diretos testados até agora. "Podemos estender isso a todas as situações onde a erosão é importante, ", diz ele. O objetivo é desenvolver" uma função que pode nos dizer se a erosão vai acontecer ou não. "

Isso poderia ajudar os engenheiros "a projetar materiais para proteção contra a erosão, seja no espaço ou no solo, onde quer que eles queiram resistir à erosão, "Veysset diz.

"Os autores exploram um novo regime de impacto de alta velocidade em que as partículas impactantes realmente derretem, "diz H. Jay Melosh, professor de física e engenharia aeroespacial na Purdue University e especialista em impactos, que não esteve envolvido neste estudo. Ele adiciona, "Nesse regime, eles podem adicionar material das partículas impactantes, bem como erodir o alvo. Isso pode eventualmente encontrar uma aplicação tecnológica, mas o trabalho apresentado no artigo é principalmente uma análise da mecânica de impacto e fornece uma avaliação quantitativa de quanto do alvo (substrato) é erodido em função da velocidade de impacto. "

Melosh diz, "O trabalho experimental é de altíssima qualidade. ... Posso imaginar que possa ter aplicações em alguns tipos de fresamento de superfície, semelhante ao jato de areia, mas mais agressivo do que esse método. "

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.