Resumo:
Uma equipe de pesquisa internacional descobriu que duas ligas experimentais à base de nióbio-titânio ainda podem manter uma resistência extremamente alta à trinca em ambientes de temperaturas extremamente baixas próximas do zero absoluto. Esta descoberta quebra o entendimento de longa data da fragilização de metais a baixa temperatura no campo da ciência dos materiais e abre uma nova direção para o desenvolvimento de materiais mais confiáveis para futuros dispositivos de energia de fusão, equipamentos de computação quântica, espaçonaves e infraestrutura de energia de hidrogênio.
A maioria dos metais fica mais forte à medida que a temperatura cai, mas também se torna mais suscetível à quebra. Isto é especialmente verdadeiro para metais de estrutura cúbica de corpo centrado, como ferro, tungstênio e cromo. Quando as temperaturas caem para níveis extremamente baixos, as tensões que de outra forma poderiam ser absorvidas através de flexão ou deformação muitas vezes se transformam em fraturas repentinas.
A razão importante para este fenômeno é que a atividade de discordância dentro do metal é restrita. Luxações são defeitos lineares em estruturas cristalinas que ajudam os metais a se deformarem plasticamente quando expostos a forças externas. No entanto, à medida que a temperatura continua a diminuir, estas deslocações tornam-se cada vez mais difíceis de mover, fazendo com que o material perca a sua capacidade de aliviar tensões e se torne mais frágil.
Uma equipe de pesquisa liderada conjuntamente pela Universidade da Califórnia, Berkeley, pelo Laboratório Nacional Lawrence Berkeley e pela Universidade de Oxford, no Reino Unido, descobriu que duas ligas experimentais à base de nióbio-titânio podem evitar esse problema. Mesmo em um ambiente de 20 Kelvin, que é cerca de 253 graus Celsius negativos (424 graus Fahrenheit negativos), eles ainda mostram forte resistência à trinca e não há transição frágil mensurável na temperatura mais baixa testada experimentalmente.
Para estudar o comportamento destes materiais a temperaturas extremamente baixas, os cientistas realizaram experiências utilizando a instalação Engin-X na Fonte de Nêutrons e Múons do ISIS em Oxfordshire, Reino Unido. Eles usaram hélio para resfriar a amostra a cerca de 253 graus Celsius negativos e, em seguida, realizaram testes de tração biaxial na amostra sob irradiação de feixe de nêutrons para medir com precisão a carga que o material poderia suportar e quanto ele esticou antes de quebrar.
Outras observações de microscopia eletrônica revelaram o segredo da resistência do material. Os pesquisadores descobriram que uma mudança estrutural chamada “nanotwins” ocorre perto de rachaduras e dentro da liga. Durante este processo, áreas locais do cristal são reorganizadas para formar uma estrutura espelhada simétrica, acompanhada por uma transformação local da estrutura cristalina.
Quando essas estruturas recém-formadas entram em contato com limites de grãos adjacentes, elas gerarão áreas locais de alta tensão e induzirão ainda mais a geração de novos defeitos cristalinos. Os novos defeitos podem continuar a realizar a tarefa de deformação plástica, de modo que o material possa continuar a deformar-se quando sujeito a tensões, em vez de fissurar diretamente.
Os pesquisadores compararam esse mecanismo à resposta de emergência da rede rodoviária durante uma tempestade de neve. Quando as estradas existentes estiverem bloqueadas por gelo e neve, o sistema de transporte abrirá novas rotas. Da mesma forma, quando o movimento de discordância convencional é restringido a temperaturas extremamente baixas, a formação de nanogêmeos cria novos canais de deformação que mantêm a tenacidade do material.
A equipe de pesquisa afirmou que este mecanismo microscópico anteriormente subestimado revela uma nova maneira de resistir à fragilização em baixas temperaturas. No passado, a comunidade de engenharia sempre acreditou que os metais cúbicos de corpo centrado eram difíceis de evitar a fragilização em temperaturas ultrabaixas. No entanto, este estudo mostra que, ao projetar racionalmente a composição e a microestrutura da liga, o material pode alternar ativamente os modos de deformação e continuar a absorver e dispersar o estresse.
Os pesquisadores acreditam que esta descoberta deverá promover o desenvolvimento de uma nova geração de materiais de engenharia de baixa temperatura no futuro. Em reactores de fusão, sistemas de armazenamento e transporte de hidrogénio líquido, detectores de espaço profundo e equipamentos de tecnologia quântica, muitos componentes-chave precisam de funcionar a temperaturas extremamente baixas durante um longo período de tempo. Materiais que podem combinar alta resistência e tenacidade melhorarão significativamente a confiabilidade e a segurança desses sistemas de tecnologia avançada.
Resultados de pesquisas relevantes foram publicados na revista acadêmica internacional "Nature". A equipe de pesquisa disse que o próximo passo será explorar se esse mecanismo pode ser estendido a mais sistemas metálicos e projetar novas ligas de engenharia adequadas para ambientes mais agressivos.
Comentários