(PhysOrg.com) - Pesquisadores do Instituto de Tecnologia da Califórnia desenvolveram uma maneira de tornar dúcteis alguns materiais notoriamente frágeis - mas mais fortes do que nunca - simplesmente reduzindo seu tamanho.

O trabalho, por Dongchan Jang, bolsista sênior de pós-doutorado, e Julia R. Greer, professor assistente de ciência dos materiais e mecânica na Caltech, poderia eventualmente levar ao desenvolvimento de soluções inovadoras, Super forte, ainda materiais leves e tolerantes a danos. Esses novos materiais podem ser usados ​​como componentes em aplicações estruturais, como em veículos aeroespaciais leves que duram mais em condições ambientais extremas e em embarcações navais que são resistentes à corrosão e ao desgaste.

Um artigo sobre o trabalho aparece na edição online antecipada de 7 de fevereiro da revista. Materiais da Natureza .

"Historicamente, "diz Greer, "os materiais estruturais sempre dependeram de suas condições de processamento, e, portanto, têm sido 'escravos' de suas propriedades. "Por exemplo, cerâmicas são muito fortes, o que os torna excelentes para aplicações estruturais. Ao mesmo tempo, esses materiais são muito pesados, o que é problemático para muitos aplicativos, e eles são extremamente frágeis, o que é menos do que ideal para suportar cargas pesadas. Na verdade, diz Greer, "eles falham catastroficamente sob cargas mecânicas." Metais e ligas, por outro lado, são dúcteis, e, portanto, improvável de quebrar, mas carecem da resistência da cerâmica.

Os cientistas de materiais desenvolveram uma classe intrigante de materiais chamados ligas metálicas vítreas, que são amorfos e não têm a estrutura cristalina dos metais tradicionais. Os materiais, também conhecidos como vidros metálicos, são compostos de arranjos aleatórios de elementos metálicos como zircônio, titânio, cobre, e níquel. Eles são leves - uma "grande vantagem" para sua incorporação em novos tipos de dispositivos, Greer diz - e ainda são comparáveis ​​em resistência à cerâmica. Infelizmente, sua estrutura aleatória torna os vidros metálicos bastante frágeis. "Eles também falham catastroficamente sob cargas de tração, " ela diz.

Mas agora Greer e Jang, o primeiro autor no artigo da Nature Materials, desenvolveram uma estratégia para superar esses obstáculos - fazendo vidros metálicos que são quase totalmente pequenos.

Os cientistas desenvolveram um processo para fazer pilares de vidro metálico ricos em zircônio com apenas 100 nanômetros de diâmetro - cerca de 400 vezes mais estreitos do que a largura de um cabelo humano. Neste tamanho, Greer diz, "os vidros metálicos não só ficam ainda mais fortes, mas também dúctil, o que significa que eles podem ser deformados até um certo alongamento sem quebrar. Força mais ductilidade, " ela diz, representa "uma combinação muito lucrativa para aplicações estruturais".

Por enquanto, não há aplicações imediatas para os novos materiais, embora seja possível combinar os nanopilares em matrizes, que poderia então formar os blocos de construção de estruturas hierárquicas maiores com a resistência e a ductilidade dos objetos menores.

O trabalho, Contudo, "mostra de forma convincente que 'tamanho' pode ser usado com sucesso como um parâmetro de design, "Greer diz." Estamos entrando em uma nova era na ciência dos materiais, onde materiais estruturais podem ser criados não apenas pela utilização de estruturas monolíticas, como cerâmicas e metais, mas também introduzindo recursos 'arquitetônicos' neles. "

Por exemplo, Greer está trabalhando para fabricar uma arquitetura "tijolo e argamassa" usando minúsculas placas de vidro metálico e metal dúctil de granulação ultrafina com dimensões em nanoescala que poderiam então ser usadas para fabricar novos compostos de engenharia com resistência e ductilidade ampliadas.

Para usar esta abordagem orientada à arquitetura para criar materiais estruturais com propriedades aprimoradas, ou seja, por exemplo, Super forte, ainda leve e dúctil - os pesquisadores devem entender como cada parte constituinte se deforma durante o uso e sob estresse.

"Nossas descobertas, " ela diz, "fornecem uma base poderosa para a utilização de componentes em nanoescala, que são capazes de sustentar cargas muito altas sem exibir falha catastrófica, em aplicações estruturais em grande escala, especificamente pela incorporação de controle arquitetônico e microestrutural. "

Greer acrescenta:"O aspecto particularmente interessante do experimento é que é quase impossível de fazer! Dongchan, meu incrível pós-doutorado, foi capaz de fazer amostras individuais de nanopilares de vidro metálico de tração de 100 nanômetros de diâmetro, que ninguém nunca tinha feito antes, e então usamos nosso instrumento de deformação mecânica in situ personalizado, SEMentor, para realizar os experimentos. Ele fabricou as amostras, testei-os, e analisou os dados. Juntos, fomos capazes de interpretar os resultados e formular a teoria fenomenológica, mas o crédito vai todo para ele. "

O trabalho no Materiais da Natureza papel, "A transição de um estado forte, porém frágil, para um estado mais forte e dúctil pela redução do tamanho dos vidros metálicos, "foi financiado pela National Science Foundation e pelo Office of Naval Research, e utilizou as instalações de fabricação e caracterização do Instituto de Nanociência Kavli em Caltech.