Dos ferreiros às linhas de luz: revelações atômicas em 3D transformam a engenharia de ligas

por Hiroshi Tanaka
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Alloy Engineering

A pesquisa inovadora conduzida por cientistas da Universidade da Califórnia, Los Angeles (UCLA) inaugurou uma nova era na engenharia de ligas. Este estudo pioneiro marca o primeiro mapeamento tridimensional de ligas de média e alta entropia, um desenvolvimento que tem o potencial de revolucionar o campo, melhorando a resistência e a flexibilidade destes materiais.

As ligas, como o aço, que resultam da combinação de dois ou mais elementos metálicos, desempenham um papel fundamental na vida moderna. Eles são essenciais para a construção de edifícios, transportes, eletrodomésticos e ferramentas, incluindo o próprio dispositivo que você usa para acessar essas informações. Os engenheiros há muito lutam contra uma compensação clássica de materiais: as ligas duras tendem a ser frágeis e propensas a quebrar sob tensão, enquanto as flexíveis são suscetíveis a amassados.

Há aproximadamente duas décadas, surgiu a possibilidade de contornar esse compromisso com o desenvolvimento de ligas de média e alta entropia. Esses novos materiais oferecem uma combinação única de dureza e flexibilidade não encontrada nas ligas tradicionais. O termo “entropia” em seu nome denota o nível de desordem na mistura de elementos dentro dessas ligas.

Num feito inovador, uma equipa de investigação liderada pela UCLA forneceu uma visão sem precedentes da estrutura e das características das ligas de média e alta entropia. Aproveitando técnicas avançadas de imagem, eles realizaram o primeiro mapeamento tridimensional das coordenadas atômicas dentro dessas ligas. Além disso, correlacionaram com sucesso a mistura de elementos com defeitos estruturais, um avanço científico na ciência dos materiais.

As ligas de média entropia combinam três ou quatro metais em proporções aproximadamente iguais, enquanto as ligas de alta entropia combinam cinco ou mais metais de forma semelhante. Isto contrasta fortemente com as ligas convencionais, que são predominantemente compostas por um metal com outros elementos presentes em proporções mais baixas. Para ilustrar o significado da pesquisa, consideremos um ferreiro forjando uma espada. Surpreendentemente, pequenos defeitos estruturais tornam os metais e ligas mais resistentes. À medida que o ferreiro aquece repetidamente uma barra de metal maleável até que ela brilhe e depois a esfria rapidamente, defeitos estruturais se acumulam, transformando a barra em uma espada robusta.

A equipe de pesquisa se concentrou em um tipo específico de defeito estrutural denominado limite duplo, conhecido por ser um fator crucial na combinação excepcional de tenacidade e flexibilidade exibida por ligas de média e alta entropia. A geminação ocorre quando a deformação faz com que uma seção de uma matriz cristalina se dobre diagonalmente enquanto os átomos circundantes mantêm seu arranjo original, resultando em imagens espelhadas em ambos os lados da fronteira.

A criação destas ligas inovadoras envolveu um processo extraordinário e rápido que lembra o ofício do ferreiro. Os cientistas derreteram o metal a temperaturas superiores a 2.000 graus Fahrenheit por uma fração de segundo e depois o resfriaram rapidamente. O objetivo era solidificar a liga com a mesma mistura diversa de elementos que no estado líquido. Este processo induziu limites gêmeos em seis entre dez nanopartículas, com quatro delas tendo cada uma um par de gêmeos.

A identificação desses defeitos exigiu o desenvolvimento de uma técnica de imagem especializada chamada tomografia eletrônica atômica, que utiliza elétrons devido aos detalhes em nível atômico serem muito menores que os comprimentos de onda da luz visível. Os dados resultantes foram mapeados em três dimensões, capturando múltiplas imagens à medida que a amostra era girada. Ajustar a tomografia eletrônica atômica para lidar com misturas complexas de metais foi um esforço meticuloso.

Os pesquisadores mapearam meticulosamente cada átomo dentro das nanopartículas da liga de média entropia. No entanto, alguns dos metais na liga de alta entropia eram tão semelhantes em tamanho que a microscopia eletrônica não conseguia distinguir entre eles. Consequentemente, o mapa destas nanopartículas agrupou os átomos em três categorias.

Os resultados da investigação revelaram que quanto mais átomos de diferentes elementos (ou categorias de elementos) forem misturados, maior será a probabilidade de a estrutura da liga mudar de uma forma que aumente a sua resistência e flexibilidade. Essas descobertas têm o potencial de informar o projeto de ligas de média e alta entropia, conferindo maior durabilidade e desbloqueando propriedades ainda não realizadas em aços e ligas tradicionais por meio da engenharia estratégica de misturas de elementos.

O estudo de materiais defeituosos normalmente requer o exame de cada defeito individual para compreender seu impacto nos átomos circundantes. A tomografia eletrônica atômica é a única técnica com a resolução necessária para conseguir isso. A capacidade de observar arranjos atômicos intrincados dentro de objetos tão minúsculos é verdadeiramente notável.

Para expandir a sua investigação, Miao e os seus colegas estão agora a desenvolver um novo método de imagem que combina microscopia electrónica atómica com uma técnica para identificar a composição de uma amostra com base em fotões emitidos. Isto permitirá a diferenciação de metais com átomos de tamanhos semelhantes. Além disso, eles estão trabalhando em maneiras de investigar ligas de média e alta entropia e de desvendar as relações fundamentais entre suas estruturas e propriedades.

Este estudo inovador foi publicado na prestigiosa revista Nature em 20 de dezembro de 2023. Foi possível com o apoio do Departamento de Energia dos EUA e conduzido na Fundição Molecular do Berkeley Lab, também patrocinado pelo DOE. Os co-autores do estudo são Saman Moniri, ex-bolsista de pós-doutorado da UCLA; Yao Yang, que obteve doutorado pela UCLA em 2021; e Jun Ding, da Universidade Xi'an Jiaotong, na China. Outros coautores incluem os bolsistas de pós-doutorado da UCLA, Yuxuan Liao; ex-bolsistas de pós-doutorado da UCLA Yakun Yuan, Jihan Zhou, Long Yang e Fan Zhu; e Yonggang Yao e Liangbing Hu, da Universidade de Maryland, College Park.

Perguntas frequentes (FAQs) sobre engenharia de ligas

Qual é o significado desta pesquisa da UCLA sobre ligas?

Esta pesquisa da UCLA é inovadora, pois marca o primeiro mapeamento tridimensional de ligas de média e alta entropia, oferecendo insights sobre suas propriedades únicas.

O que são ligas de média e alta entropia?

As ligas de média entropia combinam três ou quatro metais em quantidades aproximadamente iguais, enquanto as ligas de alta entropia combinam cinco ou mais metais de forma semelhante, diferindo das ligas convencionais.

Como esta pesquisa impacta a engenharia de ligas?

Ao revelar a estrutura atômica e os defeitos dessas ligas, a pesquisa abre portas para o projeto de ligas mais resistentes e flexíveis, revolucionando potencialmente a engenharia de materiais.

Qual é o papel dos limites gêmeos nessas ligas?

Os limites gêmeos são defeitos estruturais cruciais para a combinação excepcional de tenacidade e flexibilidade observada em ligas de média e alta entropia.

O que é tomografia eletrônica atômica e por que ela é significativa?

A tomografia eletrônica atômica é uma técnica de imagem usada para identificar defeitos em nível atômico, tornando-a crucial para a compreensão de como os defeitos afetam os átomos circundantes nos materiais.

Quais são as direções futuras desta pesquisa?

Os pesquisadores estão desenvolvendo novos métodos de imagem para diferenciar metais com átomos de tamanhos semelhantes e para explorar relações fundamentais entre estruturas e propriedades de ligas.

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5 comentários

GramáticaNerd Dezembro 20, 2023 - 11:02 pm

Ótimo conteúdo, mas preciso de um corretor ortográfico, pessoal! É “incrível” e não “amaaazing”. _xD83D__xDE09_

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Assistente de Engenharia Dezembro 21, 2023 - 1:53 am

Incrível! Alerta de mudança de jogo do Alloy! Esta pesquisa abre portas para materiais super-resistentes.

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Revisor123 Dezembro 21, 2023 - 7:12 am

uau, isso é uma coisa maluca de liga, como ficção científica e ferraria. a tecnologia é incrível.

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CiênciaGeek27 Dezembro 21, 2023 - 11:32 am

Mapeamento atômico 3D – super legal! Estas ligas são o futuro, sem dúvida.

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Notícias Junkie Dezembro 21, 2023 - 1:45 pm

A UCLA está fazendo pesquisas científicas pesadas e é como se as ligas enlouquecessem. Mal posso esperar para ver aonde isso vai levar!

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