p Muito antes de saberem que estavam fazendo isso - desde o primeiro motor de avião do irmão Wright - os metalúrgicos estavam incorporando nanopartículas de alumínio para fazer um forte, duro, liga resistente ao calor. O processo é chamado de precipitação em estado sólido, no qual, após o derretimento ter sido resfriado rapidamente, átomos de metais de liga migram através de uma matriz sólida e se reúnem em partículas dispersas medidas em bilionésimos de metro, apenas alguns átomos de largura. p A chave para a resistência dessas ligas endurecidas por precipitação é o tamanho, forma, e uniformidade das nanopartículas e quão estáveis ​​elas são quando aquecidas. Uma liga com uma combinação de propriedades altamente bem-sucedida é uma formulação particular de alumínio, escândio, e lítio, cujos precipitados são quase do mesmo tamanho. Foi feito pela primeira vez no Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia dos EUA (Berkeley Lab) em 2006 por uma equipe liderada por Velimir Radmilović e Ulrich Dahmen da Divisão de Ciências de Materiais.

p Esses cientistas e seus colegas agora combinaram observações em escala atômica com o poderoso microscópio TEAM no Centro Nacional de Microscopia Eletrônica do Berkeley Lab (NCEM) com tomografia de sonda atômica e outras técnicas experimentais, e com cálculos teóricos, para revelar como nanopartículas consistindo de núcleos ricos em escândio e rodeados por conchas ricas em lítio podem se dispersar em tamanhos notavelmente uniformes em uma matriz de alumínio puro.

p "Com o microscópio TEAM, fomos capazes de estudar a estrutura núcleo-casca desses nanoprecipitados e como eles formam esferas que têm quase o mesmo diâmetro, "diz Dahmen, o diretor do NCEM e um autor do Materiais da Natureza artigo que descreve os novos estudos. "O que mais, essas partículas não mudam de tamanho com o tempo, como a maioria dos precipitados. Tipicamente, partículas pequenas ficam menores e partículas grandes ficam maiores, um processo chamado amadurecimento ou engrossamento, o que eventualmente enfraquece as ligas. Mas esses nanoprecipitados de núcleo-casca uniformes resistem à mudança. "

p Evolução de uma liga

p No sistema alumínio-escândio-lítio, os pesquisadores descobriram que, após o derretimento inicial, um processo simples de aquecimento em duas etapas cria primeiro os núcleos ricos em escândio e, em seguida, as camadas ricas em lítio das partículas esféricas. As esferas autolimitam seu crescimento para atingir as mesmas dimensões externas, produzindo um peso leve, potencialmente resistente ao calor e à corrosão, liga super forte.

p "O escândio é o fortalecedor mais potente para o alumínio, "diz Radmilović do NCEM, que também é professor de metalurgia na Universidade de Belgrado, Sérvia, e um autor do Materiais da Natureza papel. "Adicionar menos de um por cento de escândio pode fazer uma diferença dramática na resistência mecânica, resistência à fratura, resistência à corrosão - todos os tipos de propriedades. "Como o escândio se difunde muito lentamente através da matriz sólida de alumínio, a mistura sólida deve ser aquecida a uma temperatura alta (antes da fusão) antes que o escândio se precipite.

p O lítio é o mais leve de todos os metais (apenas hidrogênio e hélio são mais leves) e traz não apenas leveza a uma liga de alumínio, mas, potencialmente, força também. O lítio se difunde muito mais rapidamente do que o escândio, a uma temperatura muito mais baixa.

p "O problema é que, por si próprio, o lítio pode não cumprir sua promessa, "diz Dahmen, um colaborador de longa data de Radmilović. "O truque é convencer o lítio a assumir uma estrutura cristalina útil, ou seja, L1 ₂ . "

p O L1 ₂ célula unitária se assemelha a uma célula cúbica centrada na face, entre as estruturas cristalinas mais simples e simétricas. Os átomos ocupam cada canto de um cubo imaginário e são centralizados nas seis faces do cubo; no L1 ₂ estrutura, os tipos de átomos nos cantos podem diferir daqueles no centro das faces. Para inclusões de ligas, é uma das estruturas mais fortes e estáveis ​​porque, como Dahmen explica, "uma vez que os átomos estão no lugar em L1 ₂ , é difícil para eles se moverem. "

p Dahmen credita Radmilović com a "intuição" de ligar escândio e lítio com alumínio, aquecimento e resfriamento do material em uma série específica de etapas. Essa intuição foi baseada na longa experiência de Radmilović com as propriedades separadas das ligas de alumínio-lítio e alumínio-escândio e um profundo entendimento de como elas provavelmente interagiriam. Ele elaborou uma receita para as proporções dos ingredientes no derretimento inicial e como resfriá-los e reaquecê-los.

p A chave do processo era usar o lítio como uma espécie de catalisador para forçar uma "explosão de nucleação" no escândio. Depois que os três metais são misturados, derretido, e rapidamente resfriado ou extinto, o lítio serve para reduzir o aquecimento necessário para persuadir o escândio a formar estruturas de núcleo denso - embora a mistura sólida ainda deva ser aquecida a 450 graus Celsius (842 Fahrenheit) por 18 horas para formar esses núcleos, feito de alumínio, lítio, e escândio. Os núcleos têm em média um pouco mais de nove nanômetros de diâmetro, mas não são uniformes em tamanho.

p Em seguida, a liga é aquecida novamente, desta vez para 190 ° Celsius (374 ° F) por quatro horas. Na temperatura mais baixa, o escândio fica imóvel; o lítio que se move livremente forma uma concha em torno dos núcleos ricos em escândio, tanto quanto a água em uma nuvem se cristaliza em torno de uma partícula de poeira para fazer um floco de neve. As conchas têm, em média, cerca de 10,5 nanômetros de espessura, mas sua espessura não é uniforme.

p O que é notável, no entanto, é que quando um núcleo é mais espesso do que a média, a casca é mais fina do que a média, e vice-versa:quanto menor o núcleo, quanto mais rápido a casca cresce. O tamanho do núcleo e o tamanho da casca são "anticorrelacionados" e o resultado é "focado no tamanho". Esferas inteiras ainda variam um pouco, mas as diferenças são muito menores do que apenas entre os núcleos ou apenas as cascas.

p A estrutura dos núcleos e cascas embutidos em alumínio parece igualmente notável. O próprio alumínio puro tem uma estrutura cúbica centrada na face, e esta estrutura é perfeitamente repetida pelo L1 ₂ estrutura de ambos os núcleos e as cascas, perfeitamente unido sem deslocamentos nas interfaces entre o núcleo, Concha, e matriz.

p Dahmen diz, "São os núcleos ricos em escândio que convencem o lítio a assumir o útil L1 ₂ estrutura."

p Unindo experimento com teoria

p Usando o microscópio TEAM e uma técnica de imagem especial para olhar para o topo das linhas regulares de colunas de átomos, o L1 ₂ estrutura se revela em grupos de quadrados interligados, com quatro colunas de átomos nos cantos e cinco colunas de átomos nos centros alinhados das faces.

p Em alumínio puro, todos os pontos têm o mesmo brilho. Nas cascas e núcleos, Contudo, as colunas de canto e as colunas centradas na face diferem em contraste - as colunas centradas na face são de alumínio puro, mas as colunas de canto são misturadas. Ao complementar as imagens do TEAM de alta resolução com dados de outras técnicas experimentais, foi possível usar o brilho e o contraste para calcular os tipos de átomos em cada coluna.

p Ao empregar cálculos de primeiros princípios, os membros da equipe Colin Ophus e Mark Asta foram capazes de modelar o efeito do lítio na precipitação de estado sólido de escândio, estimulando uma explosão repentina de nucleação, e também para entender o porquê, por causa das propriedades termodinâmicas dos dois metais interagindo com o alumínio e um com o outro, os precipitados são tão uniformes e estáveis.

p Radmilović diz, "Colin e Mark mostraram que o lítio e o escândio se parecem. Eles também mostraram que, usando as colunas de alumínio como padrão, podemos calcular a intensidade do escândio e do lítio pelo brilho do local. "Nas conchas, as colunas de canto contêm alumínio e cerca de 10 por cento de lítio. Nos núcleos, as colunas de canto contêm todos os três metais.

p Dahmen diz, "Nos últimos anos, tem havido um rápido aumento no uso de 'microscopia integrativa' - usando uma variedade de técnicas, como imagem de campo escuro anular de alta angular, contraste de fase de alta resolução, e imagem filtrada por energia e espectroscopia para atacar um único problema. O microscópio TEAM, que é corrigido para aberração cromática e esférica, é único em sua capacidade de fazer todas essas técnicas com alta resolução. Entender por que as nanoinclusões em alumínio-escândio-lítio são uniformes é um dos melhores exemplos da necessidade de usar microscopia integrativa. "

p Tão boa liga quanto o alumínio-escândio-lítio é, seu uso pode ser limitado pelo custo de escândio raro, atualmente dez vezes o preço do ouro. Ao compreender como a liga atinge suas características notáveis, os pesquisadores esperam que outros sistemas com precipitados core-shell possam ser controlados pelos mesmos mecanismos, levando a novos tipos de ligas com uma gama de propriedades desejáveis.