No final do ano passado, pesquisadores da Caltech revelaram que haviam desenvolvido uma nova técnica de fabricação para imprimir peças metálicas microdimensionadas contendo características tão grossas quanto três ou quatro folhas de papel.



Agora, a equipe reinventou a técnica para permitir a impressão de objetos mil vezes menores:150 nanômetros, o que é comparável ao tamanho de um vírus de gripe. Ao fazer isso, a equipe também descobriu que os arranjos atômicos dentro desses objetos estão desordenados, o que tornaria esses materiais inutilizáveis ​​em grande escala, pois seriam considerados fracos e de “baixa qualidade”. No caso de objetos metálicos nanométricos, no entanto, esta confusão a nível atómico tem o efeito oposto:estas peças podem ser três a cinco vezes mais fortes do que estruturas de tamanho semelhante com arranjos atómicos mais ordenados.

O trabalho foi conduzido no laboratório de Julia R. Greer, Professora Ruben F. e Donna Mettler de Ciência de Materiais, Mecânica e Engenharia Médica; e Diretor da Fundação Fletcher Jones do Kavli Nanoscience Institute. O artigo que descreve o trabalho, "Efeito de tamanho suprimido em nanopilares com microestruturas hierárquicas habilitadas pela fabricação aditiva em nanoescala", foi publicado na edição de agosto da Nano Letters .

A nova técnica é semelhante a outra anunciada pela equipe no ano passado, mas com cada etapa do processo reimaginada para funcionar em nanoescala. No entanto, isto apresenta um desafio adicional:os objetos fabricados não são visíveis a olho nu nem facilmente manipuláveis.

O processo começa com a preparação de um “coquetel” fotossensível composto em grande parte por um hidrogel, uma espécie de polímero que pode absorver muitas vezes seu próprio peso em água. Este coquetel é então endurecido seletivamente com um laser para construir uma estrutura 3D no mesmo formato dos objetos metálicos desejados. Nesta pesquisa, esses objetos eram uma série de pequenos pilares e nanoredes.

As partes de hidrogel são então infundidas com uma solução aquosa contendo íons de níquel. Uma vez saturadas com íons metálicos, as peças são cozidas até que todo o hidrogel seja queimado, deixando as peças com o mesmo formato do original, embora encolhidas, e consistindo inteiramente de íons metálicos que agora estão oxidados (ligados a átomos de oxigênio). Na etapa final, os átomos de oxigênio são quimicamente removidos das peças, convertendo o óxido metálico novamente em uma forma metálica.

Na última etapa, as peças desenvolvem sua resistência inesperada.

“Todos esses processos térmicos e cinéticos ocorrem simultaneamente durante esse processo e levam a uma microestrutura muito, muito confusa”, diz ela. "Você vê defeitos como poros e irregularidades na estrutura atômica, que normalmente são considerados defeitos que deterioram a resistência. Se você construísse algo de aço, digamos, um bloco de motor, não gostaria de ver esse tipo de microestrutura porque enfraqueceria significativamente o material."

No entanto, Greer diz que descobriram exatamente o oposto. Os muitos defeitos que enfraqueceriam uma peça metálica em maior escala fortaleceriam as peças em nanoescala.

Quando um pilar está livre de defeitos, a falha ocorre catastroficamente ao longo do que é conhecido como limite de grão – o local onde os cristais microscópicos que compõem o material se chocam.

Mas quando o material está cheio de defeitos, uma falha não pode se propagar facilmente de um contorno de grão para o próximo. Isso significa que o material não irá falhar repentinamente porque a deformação será distribuída de maneira mais uniforme por todo o material.

"Normalmente, o portador de deformação em nanopilares metálicos - isto é, um deslocamento ou deslizamento - se propaga até poder escapar pela superfície externa", diz Wenxin Zhang, principal autor do trabalho e estudante de graduação em engenharia mecânica. "Mas na presença de poros internos, a propagação terminará rapidamente na superfície de um poro, em vez de continuar por todo o pilar. Como regra geral, é mais difícil nuclear um portador de deformação do que deixá-lo se propagar, explicando por que os pilares atuais podem ser mais fortes do que os seus homólogos."

Greer acredita que esta é uma das primeiras demonstrações de impressão 3D de estruturas metálicas em nanoescala. Ela observa que o processo poderia ser usado para criar muitos componentes úteis, como catalisadores para hidrogênio; eletrodos de armazenamento para amônia e outros produtos químicos isentos de carbono; e partes essenciais de dispositivos como sensores, microrobôs e trocadores de calor.

“Estávamos originalmente preocupados”, diz ela. "Pensamos:'Nossa, essa microestrutura nunca vai levar a nada de bom', mas, aparentemente, não tínhamos motivo para nos preocupar porque descobrimos que não é nem mesmo um prejuízo. Na verdade, é um recurso."

Mais informações: Wenxin Zhang et al, Efeito de tamanho suprimido em nanopilares com microestruturas hierárquicas habilitadas pela fabricação aditiva em nanoescala, Nano Letras (2023). DOI:10.1021/acs.nanolett.3c02309
Informações do diário: Nanoletras

Fornecido pelo Instituto de Tecnologia da Califórnia