Os nanomateriais se contraem e se expandem:O espaçamento entre os átomos diminui inicialmente à medida que o tamanho do grão se torna menor; abaixo de um tamanho de grão crítico, o espaçamento se expande novamente. A razão para isso é que a tensão superficial e o volume em excesso competem entre si e o último ganha a vantagem abaixo do tamanho de grão crítico. Crédito:Eric Mittemeijer &Sairam Meka
As propriedades dos nanomateriais podem ser mais fáceis de prever no futuro. Cientistas do Instituto Max Planck de Sistemas Inteligentes em Stuttgart moeram o metal em pós cada vez mais finos em etapas e prepararam um catálogo detalhado de como a estrutura dos grãos de metal muda dependendo do tamanho do grão. Eles descobriram que as estruturas cristalinas inicialmente encolhem, mas expanda novamente abaixo de um certo tamanho de grão limite. O arranjo e espaçamento dos átomos determinam inúmeras propriedades de um material. Se for possível caracterizar com precisão as redes cristalinas em função do tamanho da partícula, também pode ser possível calcular com mais precisão como as nanopartículas de um determinado tamanho se comportam.
O café mais fino é moído, mais intenso é o sabor. A relação entre propriedades e moagem também diz respeito a uma equipe de cientistas liderada por Eric Jan Mittemeijer, Diretor do Instituto Max Planck de Sistemas Inteligentes. Os pesquisadores não trabalham com café, mas sim com metais em nanoescala. Com vários metais nanograinados em pó muito fino, eles determinaram que os átomos de metal nos grandes grãos cristalinos individuais se aglomeram mais intimamente, mais finos são os grãos moídos. A estrutura cristalina do material torna-se assim mais comprimida. Contudo, assim que os grãos medem menos de aproximadamente 30 nanômetros de diâmetro, os átomos revertem seu comportamento e a estrutura cristalina se expande novamente.
Os cientistas de materiais já sabem há algum tempo que o mesmo material pode exibir várias - na verdade, até mesmo contraditórias - propriedades, dependendo do tamanho de suas partículas. Isso se aplica principalmente quando as dimensões de uma amostra de material caem para a faixa nanométrica. Também já se sabe bastante sobre as razões do comportamento diferente de grãos muito finos e mais grossos. Em grandes cristais de metal, a maioria dos átomos está completamente rodeada por mais átomos do mesmo tipo. Neste tipo de rede ordenada, as forças de atração e repulsão entre os átomos de metal estão em equilíbrio.
Em grãos em nanoescala, os átomos da superfície governam as propriedades do material
Por comparação, nanocristais consistem em relativamente poucos átomos, uma grande porção está localizada na superfície dos grãos. À medida que o tamanho do grão diminui, a proporção entre a superfície e o volume aumenta. Os átomos da superfície não estão rodeados em todos os lados pelos mesmos átomos, e abaixo de um certo tamanho de cristal, eles governam as propriedades do material, como a cor, condutividade, propriedades magnéticas e dureza da substância.
Os pesquisadores produziram materiais nanocristalinos em um moinho de bolas, pulverizando níquel, ferro, cobre, e tungstênio. As bolas de aço esmagam os metais em um tambor de forma cilíndrica em cristais minúsculos. Através do uso de microscopia eletrônica e análise de difração de raios-X, os cientistas em Stuttgart já investigaram sistematicamente, pela primeira vez, precisamente como os átomos em cristais de metal cada vez mais finos estão dispostos. Eles estavam interessados principalmente em como o espaçamento entre os átomos na estrutura do cristal muda em função do tamanho dos grãos do cristal.
Em linha com suas expectativas, os cientistas observaram inicialmente que as redes cristalinas dos quatro metais investigados contraíram com a queda do tamanho do grão. "À medida que continuamos a série de experimentos com grãos cada vez menores, Contudo, fizemos uma descoberta surpreendente ", diz Eric Jan Mittemeijer. "Se a granulação cair abaixo de um certo tamanho na faixa nanométrica, a rede cristalina se expande novamente e o espaçamento entre os átomos aumenta ".
Tensão superficial e excesso de volume competem entre si
O fato de que o espaçamento entre os átomos nos nanocristais depende do tamanho do grão é, de acordo com os cientistas, o resultado de duas influências concorrentes:tensão superficial e excesso de volume livre. Em metais, os átomos, que são densamente ordenados no interior e, portanto, possuem muitas ligações com outros átomos, têm uma energia menor do que os átomos na superfície do grão, que estão faltando vários parceiros de ligação. Isso cria uma tensão superficial. Ele permite que os átomos se movam cada vez mais próximos uns dos outros conforme o tamanho do grão diminui e a proporção entre a superfície e o volume aumenta.
Abaixo de um certo tamanho, um efeito adicional dos átomos na superfície do grão entra em ação. Um limite de grão, como é conhecido, formas onde dois grãos em nanoescala se encontram. Os átomos superficiais de grãos vizinhos, ou seja, os átomos no limite do grão, tente assumir uma posição de compromisso entre as duas redes de cristal que se cruzam ou se sobrepõem. Eles, portanto, se deslocam de suas localizações de rede reais e ocupam um volume maior do que os átomos, ocupando uma posição fixa em uma rede regular. Os pesquisadores falam do excesso de volume livre nos limites dos grãos, que pode ser bastante pronunciado com nanomateriais. Este volume livre nos limites dos grãos dos nanomateriais cria um campo de tensão que expande o espaçamento entre os átomos vizinhos nos nanocristais.
"A influência desse excesso de volume livre nas posições da rede dos átomos pode ser negligenciada com segurança para objetos maiores do que cerca de 30 nanômetros", diz Mittemeijer. "Ele rege o comportamento de objetos menores, Contudo, enquanto o estresse superficial perde importância ".
A pesquisa conduzida pelos cientistas do Max Planck pode ser de grande importância para a ciência dos materiais. "Nossa pesquisa contribui para melhor compreender as propriedades dos nanomateriais, para que um engenheiro saiba qual nanomaterial é adequado para processamento ou produtos, por exemplo", diz Gayatri Rane, quem fez um trabalho crucial no estudo. Sai Ramudu Meka, quem também participou, adiciona, “Se não sabemos como se comporta um material, também não podemos empregá-lo corretamente ".