Quando as técnicas de fabricação transformam metais, cerâmicas ou compósitos em uma forma tecnologicamente útil, entender o mecanismo do processo de transformação de fase é essencial para moldar o comportamento desses materiais de alto desempenho. No entanto, ver essas transformações em tempo real é difícil.
Um novo estudo na revista Nature , liderado pelo professor Guangwen Zhou do Departamento de Engenharia Mecânica e Ciência Aplicada da Faculdade de Engenharia e Ciências Aplicadas Thomas J. Watson da Universidade de Binghamton, usa microscopia eletrônica de transmissão (TEM) para examinar a transformação de óxido em metal no nível atômico. De particular interesse são as discordâncias incompatíveis que estão sempre presentes nas interfaces em materiais multifásicos e desempenham um papel fundamental na determinação de propriedades estruturais e funcionais.

Os alunos de Zhou, Xianhu Sun e Dongxiang Wu, são os primeiros co-autores do artigo ("cinética stop-and-go induzida por deslocamento de transformações interfaciais"). Sun recentemente terminou seu Ph.D. tese, e Wu é um Ph.D. candidato. Outros colaboradores são Lianfeng Zou, MS '12, Ph.D. '17, agora professor da Universidade de Yanshan, e Ph.D. candidato Xiaobo Chen; Professora Judith Yang, Professor Assistente de Pesquisa Visitante Stephen House e pesquisadora de pós-doutorado Meng Li da Escola de Engenharia Swanson da Universidade de Pittsburgh; e o cientista da equipe, Dmitri Zakharov, do Centro de Nanomateriais Funcionais, um Departamento de Energia dos EUA (DOE) Office of Science User Facility no Brookhaven National Lab.

Usando a técnica avançada, disse Zhou, "os fabricantes podem controlar a microestrutura e as propriedades dos materiais atuais e projetar novos tipos de materiais. Há alguma importância prática para esta pesquisa, mas também há um significado fundamental".

Os experimentos testaram a transformação de óxido de cobre em cobre. Observar diretamente essa transformação de interface em escala atômica é um desafio porque requer a capacidade não apenas de acessar a interface enterrada, mas também de aplicar estímulos químicos e térmicos para impulsionar a transformação.

Ao usar técnicas ambientais de TEM capazes de introduzir gás hidrogênio no microscópio para conduzir a redução de óxido enquanto simultaneamente realizava imagens de TEM, a equipe de pesquisa conseguiu monitorar atomicamente a reação interfacial. Surpreendentemente, os pesquisadores observaram que a transformação de óxido de cobre em cobre ocorre de maneira intermitente porque é interrompida temporariamente por deslocamentos incompatíveis, um comportamento semelhante a um processo de parada e partida regulado por semáforos.

"Isso é inesperado, porque o senso comum aceito pela comunidade de pesquisa de materiais é que os deslocamentos de interface são os locais para facilitar a transformação em vez de atrasá-la", disse Zhou.

Para entender o que estava acontecendo, Wu desenvolveu códigos de computador para explicar o que eles estavam testemunhando em experimentos. Esse processo de vai-e-vem entre experimentos e modelagem computacional ajudou a equipe a entender como as discordâncias desajustadas controlam o transporte de átomos de longo alcance necessário para a transformação de fase.

"Esse processo iterativo em loop entre experimentos e modelagem computacional, ambos no nível atômico, é um aspecto interessante para a pesquisa de materiais", disse Zhou.

As informações fundamentais podem ser úteis no projeto de novos tipos de materiais multifásicos e no controle de sua microestrutura, que podem ser usados ​​em diversas aplicações, como materiais estruturais de suporte de carga, fabricação eletrônica e reações catalíticas para produção de energia limpa e sustentabilidade ambiental.

Depois de coletar dados iniciais em Binghamton, Sun e a equipe de pesquisa repetiram os experimentos em equipamentos em Pitt e Brookhaven, que têm capacidades diferentes.

"Este é um trabalho colaborativo. Sem os facilitadores do Brookhaven Lab e da Universidade de Pittsburgh, não podemos ver o que precisamos ver", disse Sun. "Além disso, nos estágios finais dos meus dados de análise, conversei sobre os resultados com Judy, Meng e Dmitri muitas vezes. Lembro-me de quando terminamos o primeiro rascunho e enviamos o manuscrito para Dmitri, ele me disse que talvez devêssemos incluir alguns equações para confirmar nossos resultados observados, e ele enviou alguma literatura relevante. Então agora podemos mostrar que esses cálculos concordam com nossos resultados experimentais."

Yang também chamou a pesquisa de "uma parceria muito legal" que reuniu os melhores elementos de Binghamton, Pitt e Brookhaven.

"A capacidade de usar ferramentas de vanguarda é uma das coisas que sustenta a nova ciência, como exemplificado aqui", disse ela. "Brookhaven tem um microscópio excepcional que pode suportar estresse ambiental em pressões mais altas do que o que temos na Universidade de Pittsburgh, e tem maior capacidade analítica. Mas o da Universidade de Pittsburgh é um bom microscópio eletrônico de transmissão de alta resolução que pode aceitar gás, é um microscópio mais robusto. Também há mais tempo de pesquisa disponível."

Ela usou uma analogia para explicar por que ver as reações químicas acontecerem em tempo real é importante:"Quando você compra o peixe e ele está embalado, há muito o que você pode entender sobre esse peixe em vez de ver o peixe em um ambiente real".

Como os laboratórios nacionais do DOE podem oferecer instrumentos de última geração e conhecimentos de alto calibre que complementam o que está disponível nas universidades e na indústria de alta tecnologia, eles podem ajudar os pesquisadores - especialmente aqueles em início de carreira - a levar seu trabalho para o próximo nível, na maioria dos casos de graça.

Zakharov disse estar feliz por ter desempenhado um papel nesta pesquisa de materiais:"O poder da técnica é que é um método direto para ver todas essas discordâncias e transformações de fase. Você pode controlar a reação e pode ir e voltar para observe como esses deslocamentos nas interfaces se comportam. Não existe outra técnica com uma observação tão direta."

Sun - que agora trabalha no Lawrence Berkeley National Laboratory, também um DOE National Lab - está feliz por ter esta pesquisa finalmente publicada.

“Comecei a analisar esses dados em março de 2018, então levou quase cinco anos para terminar esse trabalho”, disse ele. "É desafiador, mas vale a pena." + Explorar mais

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