Uma maneira contra-intuitiva de fazer ligas mais fortes

9 de fevereiro de 2023

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por Kelly Oakes, Universidade Norueguesa de Ciência e Tecnologia

Os humanos misturam metais para criar materiais mais úteis há milhares de anos. A Idade do Bronze, que começou por volta de 3.300 aC, foi caracterizada pelo uso do bronze, uma liga de cobre e estanho que é mais forte do que qualquer um dos metais isoladamente.

Agora, os pesquisadores da NTNU descobriram uma maneira contra-intuitiva de tornar uma invenção muito mais recente – ligas nanograinadas, com grãos nanométricos do elemento de liga – ainda mais forte.

O alumínio é um metal amplamente utilizado na fabricação de componentes nas indústrias aeroespacial, de transporte e de construção, em parte porque é leve, mas durável. As ligas de alumínio retêm essas qualidades, mas são mais fortes que o alumínio sozinho.

“Se fosse alumínio puro, é claro, não seria forte o suficiente”, diz Yanjun Li, professor de metalurgia física no Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais da NTNU.

Mas nos últimos anos, os investigadores que tentam fazer ligas nanograinadas de alumínio contendo cobre depararam-se com um problema: os átomos de cobre têm tendência a aglomerar-se, formando partículas grosseiras com alumínio no interior do material, especialmente a temperaturas superiores a 100°C.

Quando o cobre não está mais distribuído uniformemente pelo material, a liga fica mais fraca.

“Eles se acumulam, formando grandes partículas”, diz Li. "Essas partículas, quando são grandes, podem na verdade diminuir a resistência."

Os átomos de cobre podem mover-se através do material se houver uma chamada vaga – um espaço não ocupado por átomos – para onde eles possam se mover.

Portanto, os pesquisadores têm tentado minimizar o número de vagas para reduzir a capacidade de movimento dos átomos.

“Se não houver vagas, é claro que nenhum átomo poderá se mover”, diz Li.

Mas agora Li e seus colegas encontraram uma maneira de aumentar o número de vagas e ao mesmo tempo aumentar a resistência da liga resultante.

Em trabalho publicado na revista Nature Communications, os pesquisadores adicionaram átomos de escândio e de cobre ao alumínio, ao mesmo tempo que aumentaram o número de vagas.

Os átomos de escândio e cobre, juntamente com as lacunas, formaram estruturas que não podiam se mover facilmente através do material.

“Juntos eles são muito estáveis”, diz Li. "Torna-se mais difícil para qualquer um deles se mover."

Graças às novas estruturas de escândio-cobre, grandes partículas de alumínio-cobre que se formariam anteriormente foram completamente suprimidas, mesmo quando a liga foi aquecida a 200°C durante 24 horas.

Essa estabilidade significa que os átomos de cobre permanecem distribuídos uniformemente por todo o material e a liga mantém sua resistência adicional.

A equipe viu os aglomerados de lacunas de cobre-escândio usando a tomografia de sonda atômica (APT), uma técnica que permite ver o que está acontecendo no nível atômico dentro de um material.

Ph.D. a estudante Hanne Søreide preparou agulhas muito finas - apenas 50 nm de diâmetro - da liga usando o Focussed Ion Beam da NTNU Nanolab. Ela então usou a sonda atômica para evaporar os átomos, um por um, do topo da agulha, enquanto um detector capturava informações sobre eles.

“Diferentes átomos podem voar mais rápido ou mais devagar”, diz Li.

Usando essas informações, os pesquisadores reconstruíram uma imagem de onde cada átomo estava originalmente no material. Eles viram que os átomos dos dois elementos de liga diferentes estavam se unindo dentro do alumínio.