Os cientistas mediram a maior resistência já registrada, de qualquer material, enquanto investigavam uma liga metálica feita de cromo, cobalto e níquel (CrCoNi).
O time, liderado por pesquisadores do Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) e Oak Ridge National Laboratory, publicou um estudo descrevendo suas descobertas recordes na revista Science.
“Quando você projeta materiais estruturais, quer que eles sejam fortes, mas também dúcteis e resistentes à fratura”, disse Easo George, co-líder do projeto e Governor’s Chair para teoria avançada de ligas e desenvolvimento em ORNL e Universidade de Tennessee. “Geralmente, é um compromisso entre essas propriedades. Mas este material é ambos, e em vez de ficar quebradiço em baixas temperaturas, fica mais resistente”.
CrCoNi é um subconjunto de uma classe de metais chamados ligas de alta entropia (HEAs). Todas as ligas em uso hoje em dia contêm uma grande proporção de um elemento com quantidades menores de elementos adicionais adicionados, mas as HEAs são feitas de uma mistura igual de cada elemento constituinte.
Essas receitas atômicas balanceadas parecem conferir a alguns desses materiais uma combinação extraordinária de força e dúctilidade quando estressados, que juntos formam o que é denominado “resistência”. As HEAs têm sido uma área quente de pesquisa desde que foram desenvolvidas há cerca de 20 anos, mas a tecnologia necessária para levar os materiais a seus limites em testes extremos não estava disponível até recentemente.
“A resistência deste material próximo às temperaturas de hélio líquido ( -253,15 graus Celsius ) é tão alta quanto 500 megapascais metro quadrado. Nas mesmas unidades, a resistência de um pedaço de silício é um, a estrutura de alumínio em aviões de passageiros é de cerca de 35, e a resistência de alguns dos melhores aços é de cerca de 100. Portanto, 500 é um número assombroso”, disse Robert Ritchie, co-líder da pesquisa e cientista sênior na Divisão de Ciência de Materiais do Berkeley Lab e Professor Chua de Engenharia em UC Berkeley.
Ritchie e George começaram a experimentar com CrCoNi e outra liga que também contém manganês e ferro (CrMnFeCoNi) há quase uma década. Eles criaram amostras das ligas e depois diminuíram as temperaturas dos materiais para o nitrogênio líquido (cerca de -196,15 graus Celsius) e descobriram uma força e resistência impressionantes.
Eles imediatamente queriam seguir o trabalho com testes em intervalos de temperatura de hélio líquido, mas encontrar instalações que permitiriam testar amostras em um ambiente tão frio e recrutar membros da equipe com as ferramentas analíticas e experiência necessárias para analisar o que acontece no material a nível atômico levou os próximos 10 anos. Felizmente, os resultados valeram a espera.
Espiando o cristal
Muitas substâncias sólidas, incluindo metais, existem em uma forma cristalina caracterizada por um padrão atômico 3D repetitivo, chamado de célula unitária, que forma uma estrutura maior chamada de rede. As propriedades de força e resistência do material ou falta delas vêm das propriedades físicas da rede.
Nenhum cristal é perfeito, então as células unitárias em um material inevitavelmente conterão “defeitos”, um exemplo proeminente sendo deslocamentos – limites onde a rede não deformada encontra-se com a rede deformada. Quando força é aplicada ao material – pense, por exemplo, em dobrar uma colher de metal – a mudança de forma é realizada pelo movimento de deslocamentos através da rede.
Quanto mais fácil é o movimento dos deslocamentos, mais mole o material é. Mas se o movimento dos deslocamentos é bloqueado por obstáculos na forma de irregularidades na rede, então mais força é necessária para mover os átomos dentro do deslocamento e o material fica mais forte. Do outro lado, os obstáculos geralmente tornam o material mais quebradiço – propenso a rachaduras.
Usando difração de neutrons, difração por espalhamento de elétrons e microscopia eletrônica de transmissão, Ritchie, George e seus colegas no Berkeley Lab, Universidade de Bristol, Rutherford Appleton Laboratory e Universidade de New South Wales examinaram as estruturas de rede de amostras de CrCoNi que haviam sido fracturadas a temperatura ambiente. (Para medir a força e dúctilidade, uma amostra de metal prístina é puxada até que se frature, enquanto para testes de resistência à fratura, uma rachadura afiada é intencionalmente introduzida na amostra antes de ser puxada e o estresse necessário para crescer a rachadura é medido em seguida.)
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