A questão de como os metais se deformam ou respondem a tensões externas tem sido extensivamente estudada entre os metalúrgicos durante séculos. Quando se trata de metais convencionais – do tipo cristalino com átomos alinhados em padrões perfeitos – o processo é bastante bem compreendido. Mas para a deformação de vidros metálicos e outros metais amorfos, respostas fáceis têm sido ilusórias, especialmente quando se trata de como as coisas funcionam em nanoescala.



Em um novo estudo, o professor Jan Schroers analisa as peculiaridades físicas de como esses metais se comportam em tamanhos muito pequenos – insights que podem levar a novas maneiras de criar vidros metálicos. Os resultados são publicados em Nature Communications .

Materiais com a resistência do metal, mas com a flexibilidade do plástico, os vidros metálicos estão sendo desenvolvidos para uma ampla gama de aplicações:aeroespacial, espacial, robótica, eletrônicos de consumo, artigos esportivos e usos biomédicos.

Esses materiais devem suas propriedades às suas estruturas atômicas únicas:quando os vidros metálicos esfriam de um líquido para um sólido, seus átomos se acomodam em um arranjo aleatório e não cristalizam como os metais tradicionais. Mas impedir a cristalização dos átomos é complicado, e qualquer compreensão do seu funcionamento pode contribuir muito para uma produção mais eficiente de vidro metálico.

“Para avançar na fabricação e no uso de metais amorfos, é necessária uma compreensão fundamental e completa de sua deformação dependente do tamanho e da temperatura”, escrevem os autores do estudo.

Nas últimas décadas, está bem estabelecido que, à escala macroscópica, os átomos movem-se em massa quando se deformam a temperaturas que permitem o fluxo.

"Eles se deformam de forma coletiva, quase como mel", disse Schroers, professor Robert Higgin de Engenharia Mecânica e Ciência de Materiais. "Você vê todos esses átomos se movendo coletivamente."

Mas o que acontece quando amostras de tamanho nanométrico se deformam? Usando zircônio, cobre e outras amostras de vidro metálico em estado macio, o laboratório Schroers decidiu descobrir.

"Naijia Liu, o estudante de graduação do meu laboratório, criou amostras cada vez menores e, em algum momento, ele conseguiu mostrar que elas não se deformam mais dessa maneira", disse Schroers. Em tamanhos de amostra de 100 nanômetros ou menores, as coisas começaram a se desviar das regras padrão.

O que descobriram foi que, com este tamanho, a composição química das amostras nunca mudaria se os átomos continuassem a mover-se colectivamente. Em vez disso, o que aconteceu foi que os átomos se moviam individualmente e, a certa altura, o metal começou a deformar-se rapidamente.

"Então, se você for cada vez menor, os átomos não fluem mais. O que eles fazem é viajar individualmente pela superfície."

Isso é significativo porque sabe-se que os átomos se movem mais rápido na superfície de materiais cristalinos. Portanto, quanto menor a amostra, maior proporção do material está sobre ou próximo a uma superfície. Para se deformarem, os átomos percorrem uma distância extra usando um caminho de superfície tão rápido que permite uma deformação geral mais rápida. É uma visão de uma área da física que ainda tem muitas perguntas sem resposta.

“Sabemos essencialmente tudo sobre cristais e sabemos essencialmente tudo sobre gases”, disse Schroers. "Mas na comunidade científica não conhecemos bem o estado líquido. As coisas movem-se demasiado rapidamente, por isso os métodos de observação são desafiados e como a ordem num líquido não é periódica, não podemos reduzir o problema a uma unidade mais pequena. ."

O laboratório de Schroers atualmente se concentra em quais ligas são mais promissoras para a criação de vidros metálicos por meio desse método. “A liga deve compreender elementos semelhantes, mas não muito semelhantes, caso contrário o modelo no qual eles crescem não poderá formar um vidro”, disse Schroers.

Além do impacto científico das suas novas descobertas, disse Schroers, o estudo tem importância a nível tecnológico. Em vez da técnica atual de evitar a cristalização através de um resfriamento muito rápido, essas descobertas fornecem aos pesquisadores um novo método para cultivar lentamente materiais metaestáveis. Esses materiais incluem vidros metálicos e até outros que antes não eram possíveis de serem feitos com outras técnicas.

Mais informações: Naijia Liu et al, Comportamento de deformação dependente do tamanho em metais amorfos nanométricos sugerindo transição do transporte atômico coletivo para o individual, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-41582-2
Fornecido pela Universidade de Yale