p Você não pode vê-los, mas a maioria dos metais ao seu redor - moedas, talheres, até mesmo as vigas de aço que sustentam edifícios e viadutos - são feitas de minúsculos grãos de metal. Sob um microscópio poderoso o suficiente, você pode ver cristais interligados que parecem uma bancada de granito. p Os cientistas de materiais sabem há muito tempo que os metais ficam mais fortes à medida que o tamanho dos grãos que o compõem fica menor - até certo ponto. Se os grãos são menores que 10 nanômetros de diâmetro, os materiais são mais fracos porque, foi pensado, eles deslizam um pelo outro como areia deslizando por uma duna. A resistência dos metais tinha um limite.

p Mas experimentos conduzidos pelo ex-acadêmico de pós-doutorado da Universidade de Utah, Xiaoling Zhou, agora na Universidade de Princeton, professor associado de geologia Lowell Miyagi, e Bin Chen no Centro de Pesquisa Avançada de Ciência e Tecnologia de Alta Pressão em Xangai, China, mostram que nem sempre é o caso - em amostras de níquel com diâmetros de grãos tão pequenos quanto 3 nanômetros, e sob altas pressões, a resistência das amostras continuou a aumentar com tamanhos de grão menores.

p O resultado, Zhou e Miyagi dizem, é uma nova compreensão de como átomos individuais de grãos de metal interagem uns com os outros, bem como uma maneira de usar essa física para obter metais superfortes. Seu estudo, realizado com colegas da Universidade da Califórnia, Berkeley e em universidades na China, é publicado em Natureza .

p "Nossos resultados sugerem uma possível estratégia para a fabricação de metais ultrafuros, "Zhou diz." No passado, os pesquisadores acreditavam que o tamanho de grão mais forte era de cerca de 10-15 nanômetros. Mas agora descobrimos que poderíamos fazer metais mais fortes com menos de 10 nanômetros. "

p Empurrando Hall-Petch

p Para a maioria dos objetos metálicos, Miyagi disse, os tamanhos dos grãos de metal são da ordem de algumas centenas de micrômetros - aproximadamente o diâmetro de um fio de cabelo humano. "Talheres de última geração costumam ter um acabamento mais fino, e mais homogêneo, estrutura de grãos que pode permitir que você obtenha uma borda melhor, " ele diz.

p A relação previamente compreendida entre a resistência do metal e o tamanho do grão era chamada de relação Hall-Petch. A resistência do metal aumentou conforme o tamanho do grão diminuiu, de acordo com Hall-Petch, até um limite de 10-15 nanômetros. Isso é um diâmetro de apenas cerca de quatro a seis fitas de DNA. Tamanhos de grãos abaixo desse limite simplesmente não eram tão fortes. Então, para maximizar a força, os metalúrgicos buscariam os menores tamanhos efetivos de grãos.

p "O refinamento do tamanho do grão é uma boa abordagem para melhorar a resistência, "Zhou diz." Então foi muito frustrante, no passado, para descobrir que essa abordagem de refinamento de tamanho de grão não funciona mais abaixo de um tamanho de grão crítico. "

p A explicação para o enfraquecimento abaixo de 10 nanômetros tinha a ver com a forma como as superfícies dos grãos interagiam. As superfícies dos grãos têm uma estrutura atômica diferente do interior, Miyagi diz. Contanto que os grãos sejam mantidos juntos pelo poder de fricção, o metal manteria a força. Mas em tamanhos de grãos pequenos, foi pensado, os grãos simplesmente deslizam um pelo outro sob tensão, levando a um metal fraco.

p Limitações técnicas anteriormente impediam experimentos diretos em nanograins, no entanto, limitar a compreensão de como os grãos em nanoescala se comportaram e se ainda pode haver força inexplorada abaixo do limite de Hall-Petch. "Então, projetamos nosso estudo para medir a força dos nanometais, "Zhou diz.

p Sob pressão

p Os pesquisadores testaram amostras de níquel, um material que está disponível em uma ampla gama de tamanhos de nanograin, até três nanômetros. Seus experimentos envolveram colocar amostras de vários tamanhos de grãos sob pressões intensas em uma célula de bigorna de diamante e usar difração de raios-X para observar o que estava acontecendo em nanoescala em cada amostra.

p "Se você já brincou com uma mola, você provavelmente puxou com força o suficiente para estragá-lo e não fazer o que deveria fazer, "Miyagi diz." Isso é basicamente o que estamos medindo aqui; com que força podemos empurrar este níquel até que o deformemos além do ponto de ser capaz de se recuperar. "

p A resistência continuou a aumentar até o menor tamanho de grão disponível. A amostra de 3 nm resistiu a uma força de 4,2 gigapascais (quase a mesma força de dez 10, 000 libras elefantes equilibrados em um único salto alto) antes de se deformarem irreversivelmente. Isso é dez vezes mais forte do que o níquel com tamanho de grão comercial.

p Não é que a relação Hall-Petch tenha rompido, Miyagi disse, mas a forma como os grãos interagiam era diferente nas condições experimentais. A alta pressão provavelmente superou os efeitos de deslizamento dos grãos.

p "Se você empurrar dois grãos juntos com muita força, " ele diz, "é difícil para eles deslizarem um pelo outro porque o atrito entre os grãos se torna grande, e você pode suprimir esses mecanismos de deslizamento de limite de grão que acabam sendo responsáveis ​​por esse enfraquecimento. "

p Quando o deslizamento do limite de grão foi suprimido em tamanhos de grão abaixo de 20 nm, os pesquisadores observaram um novo mecanismo de deformação em escala atômica que resultou em um fortalecimento extremo nas amostras de grãos mais finos.

p Possibilidades ultra-fortes

p Zhou diz que um dos avanços desse estudo está no método deles para medir a resistência dos materiais em nanoescala de uma forma que não havia sido feita antes.

p Miyagi diz que outro avanço é uma nova maneira de pensar sobre o fortalecimento de metais - projetando suas superfícies de grãos para suprimir o deslizamento de grãos.

p "Não temos muitos aplicativos, industrialmente, de coisas onde as pressões são tão altas quanto nesses experimentos, mas, ao mostrar que a pressão é uma forma de suprimir a deformação do contorno do grão, podemos pensar em outras estratégias para suprimi-la, talvez usando microestruturas complicadas onde você tem formatos de grãos que inibem o deslizamento dos grãos uns sobre os outros. "