O nanofio de tungstênio exibe um fenômeno chamado "geminação", que permite que ele se deforme sob pressão sem quebrar, e para recuperar sua forma quando a carga for removida.
Para entender completamente como os nanomateriais se comportam, deve-se também entender os mecanismos de deformação em escala atômica que determinam sua estrutura e, Portanto, sua força e função.
Pesquisadores da Universidade de Pittsburgh, Drexel University, e Georgia Tech desenvolveram uma nova maneira de observar e estudar esses mecanismos e, ao fazer isso, revelaram um fenômeno interessante em um material bem conhecido, tungstênio. O grupo é o primeiro a observar a geminação de deformação em nível atômico em nanocristais de tungstênio cúbico centrado no corpo (BCC).
A equipe usou um microscópio eletrônico de transmissão de alta resolução (TEM) e um sofisticado modelo de computador para fazer a observação. Este trabalho, publicado em Materiais da Natureza , representa um marco no estudo in situ dos comportamentos mecânicos dos nanomateriais.
A geminação de deformação é um tipo de deformação que, em conjunto com deslizamento de deslocamento, permite que os materiais se deformem permanentemente sem quebrar. No processo de geminação, o cristal reorienta, que cria uma região no cristal que é uma imagem espelhada do cristal original. A geminação foi observada em metais e ligas BCC em grande escala durante a deformação. Contudo, se a geminação ocorre em nanomateriais BCC ou não permaneceu desconhecido.
"Para obter uma compreensão profunda da deformação em nanomateriais BCC, "Scott X. Mao, o autor sênior do artigo, disse, "combinamos imagens em escala atômica e simulações para mostrar que as atividades de geminação dominaram a maioria das condições de carregamento devido à falta de outros mecanismos de deformação por cisalhamento em redes BCC em nanoescala."
A equipe escolheu o tungstênio como um cristal BCC típico. A aplicação mais conhecida do tungstênio é seu uso como filamentos para lâmpadas.
Uma série de imagens capturadas por microscopia eletrônica de transmissão mostra o fenômeno da geminação que ocorre no nanofio de tungstênio.
A observação de geminação em escala atômica foi feita dentro de um TEM. Este tipo de estudo não foi possível no passado devido às dificuldades em fazer amostras de BCC com menos de 100 nanômetros de tamanho, conforme exigido pela imagem TEM. Jiangwei Wang, um estudante de pós-graduação da Pitt e principal autor do artigo, desenvolveu uma maneira inteligente de fazer os nanofios de tungstênio BCC. Sob um TEM, Wang soldou dois pequenos pedaços de cristais de tungstênio em nanoescala individuais para criar um fio com cerca de 20 nanômetros de diâmetro. Este fio foi durável o suficiente para esticar e comprimir enquanto Wang observava o fenômeno da geminação em tempo real.
Para entender melhor o fenômeno observado pela equipe de Mao e Wang em Pitt, Christopher R. Weinberger, professor assistente na Faculdade de Engenharia de Drexel, desenvolveram modelos de computador que mostram o comportamento mecânico da nanoestrutura de tungstênio - em nível atômico. Sua modelagem permitiu à equipe ver os fatores físicos em jogo durante a geminação. Essas informações ajudarão os pesquisadores a teorizar por que ele ocorre em tungstênio em nanoescala e traçar um curso para examinar esse comportamento em outros materiais BCC.
"Estamos tentando ver se nosso modelo com base atomística se comporta da mesma maneira que a amostra de tungstênio usada nos experimentos, o que pode ajudar a explicar os mecanismos que permitem que ele se comporte dessa forma, "Weinberger disse." Especificamente, gostaríamos de explicar por que ele exibe essa capacidade de geminação como uma nanoestrutura, mas não como um metal a granel. "
Em conjunto com a modelagem de Weinberger, Ting Zhu, professor associado de engenharia mecânica na Georgia Tech, trabalhei com um estudante de pós-graduação, Zhi Zeng, para conduzir simulações de computador avançadas usando dinâmica molecular para estudar processos de deformação em 3-D.
A simulação de Zhu revelou que o comportamento "menor é mais forte" do tungstênio apresenta desvantagens quando se trata de aplicativos.
Modelos de computador demonstram o processo de geminação em nanofios de tungstênio.
"Se você reduzir o tamanho para a escala nanométrica, você pode aumentar a força em várias ordens ou magnitude, "Zhu disse." Mas o preço que você paga é uma redução dramática na ductilidade.
Queremos aumentar a resistência sem comprometer a ductilidade no desenvolvimento desses metais e ligas nanoestruturados. Para alcançar este objetivo, precisamos entender os mecanismos de controle de deformação. "
O mecanismo de geminação, Mao acrescentou, contrasta com a sabedoria convencional de plasticidade controlada por nucleação de deslocamento em nanomateriais. Os resultados devem motivar uma investigação experimental e de modelagem de mecanismos de deformação em metais e ligas em nanoescala, em última análise, possibilitando o projeto de materiais nanoestruturados para realizar totalmente sua resistência mecânica latente.
"Nossa descoberta da deformação dominada pela geminação também abre possibilidades de aumentar a ductilidade por meio da engenharia de estruturas gêmeas em cristais BCC em nanoescala, "Zhu disse.
