Pesquisadores da Brown University e do Instituto de Pesquisa de Metais da Academia Chinesa de Ciências descobriram uma nova maneira de usar nanotwins - limites lineares minúsculos na rede atômica de um metal com estruturas cristalinas idênticas em ambos os lados - para fazer metais mais fortes.

Em um artigo no jornal Ciência , os pesquisadores mostram que variando o espaçamento entre os limites dos gêmeos, em oposição a manter um espaçamento consistente ao longo, produz melhorias dramáticas na resistência de um metal e na taxa de endurecimento por trabalho - a extensão em que um metal se fortalece quando deformado.

Huajian Gao, um professor da Escola de Engenharia de Brown que co-liderou o trabalho, diz que a pesquisa pode apontar para novas técnicas de fabricação de materiais de alto desempenho.

"Este trabalho trata do que é conhecido como material gradiente, significando um material em que há alguma variação gradual em sua composição interna, "Gao disse." Os materiais de gradiente são uma área de pesquisa quente porque muitas vezes têm propriedades desejáveis ​​em comparação com materiais homogêneos. Nesse caso, queríamos ver se um gradiente no espaçamento de nanotwin produzia novas propriedades. "

Gao e seus colegas já mostraram que os próprios nanotwins podem melhorar o desempenho do material. Cobre nanotwinning, por exemplo, mostrou ser significativamente mais forte do que o cobre padrão, com uma resistência excepcionalmente alta à fadiga. Mas este é o primeiro estudo a testar os efeitos do espaçamento variável nanotwin.

Gao e seus colegas criaram amostras de cobre usando quatro componentes distintos, cada um com espaçamento de limite nanotwin diferente. Espaçamentos que variam de 29 nanômetros entre limites a 72 nanômetros. As amostras de cobre eram compostas de diferentes combinações dos quatro componentes dispostos em ordens diferentes ao longo da espessura da amostra. Os pesquisadores então testaram a resistência de cada amostra composta, bem como a força de cada um dos quatro componentes.

Os testes mostraram que todos os compósitos eram mais fortes do que a resistência média dos quatro componentes com os quais foram feitos. Notavelmente, um dos compostos era na verdade mais forte do que o mais forte de seus componentes constituintes.

"Para fazer uma analogia, pensamos em uma corrente como sendo tão forte quanto seu elo mais fraco, "Disse Gao." Mas aqui, temos uma situação em que nossa corrente é realmente mais forte do que seu elo mais forte, o que é realmente incrível. "

Outros testes mostraram que os compósitos também apresentaram maiores taxas de endurecimento por trabalho do que a média de seus componentes constituintes.

Para entender o mecanismo por trás desses aumentos de desempenho, os pesquisadores usaram simulações de computador da estrutura atômica de suas amostras sob tensão. No nível atômico, metais respondem à deformação por meio do movimento de deslocamentos - defeitos de linha na estrutura cristalina onde os átomos são empurrados para fora do lugar. A maneira como esses deslocamentos crescem e interagem entre si é o que determina a resistência de um metal.

As simulações revelaram que a densidade dos deslocamentos é muito maior no gradiente de cobre do que em um metal normal.

"Encontramos um tipo único de deslocamento que chamamos de feixes de deslocamentos concentrados, que levam a deslocamentos uma ordem de magnitude mais densos do que o normal, "Gao disse." Esse tipo de deslocamento não ocorre em outros materiais e é por isso que esse gradiente de cobre é tão forte. "

Gao disse que embora a equipe de pesquisa tenha usado cobre para este estudo, os nanotwins também podem ser produzidos em outros metais. Portanto, é possível que gradientes nanotwin possam melhorar as propriedades de outros metais.

"Esperamos que essas descobertas motivem as pessoas a fazer experiências com gradientes gêmeos em outros tipos de materiais, "Disse Gao.