Os cientistas sabem há anos que pequenos padrões químicos podem se formar dentro de ligas metálicas, mas a maioria pensava que esses padrões eram insignificantes ou perdidos durante o processo de fabricação. Experimentos recentes mostraram que, sob condições controladas de laboratório, esse padrão pode realmente afetar o comportamento dos metais – afetando sua resistência, durabilidade, resistência ao calor e até mesmo sua capacidade de resistir à radiação.
Os investigadores do MIT descobriram agora que estes arranjos químicos subtis também existem em metais produzidos através de processos industriais padrão. A descoberta inesperada aponta para um novo princípio físico que poderia explicar porque é que estes padrões persistem.
Num estudo publicado em comunicações da naturezaA equipe do MIT detalha como identifica e analisa esses padrões, revelando a física que os impulsiona. Eles também desenvolveram um modelo para prever como esses padrões se formam, permitindo que os engenheiros os ajustem para ajustar as propriedades do metal para uso em aplicações aeroespaciais, semicondutoras ou nucleares.
“O resultado final é: você nunca pode randomizar completamente os átomos em um metal. Não importa como você aborda isso, “explica Rodrigo Freitas, professor assistente de TDK no Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais do MIT. “Este é o primeiro artigo a mostrar que os estados de desequilíbrio são retidos nos metais. Atualmente, esta ordem química não é algo que controlamos ou focamos ao fabricar metais.”
Para Freitas, pesquisador em início de carreira, a descoberta validou sua decisão de buscar um problema que muitos pensavam estar resolvido. Ele reconhece o apoio do Programa de Jovens Investigadores do Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea e os esforços colaborativos de sua equipe, que inclui três estudantes de doutorado do MIT, Mahmudul Islam, Yifan Cao e Killian Sheriff, como co-autores.
“Me perguntaram se eu deveria abordar esse problema específico porque as pessoas já trabalham nisso há muito tempo”, disse Freitas. “Mas quanto mais aprendi sobre isso, mais descobri que os pesquisadores pensam sobre isso em cenários de laboratório idealizados. Queríamos fazer simulações que fossem o mais realistas possível, reproduzindo esses processos de fabricação com alta fidelidade. Minha parte favorita deste projeto foi como os resultados eram pouco intuitivos. O fato de que você não consegue misturar algo, as pessoas não previram isso.”
Da surpresa à teoria
Freitas e sua equipe começaram com uma pergunta simples: com que rapidez os elementos se misturam durante o processamento do metal? O pensamento convencional sustenta que durante o processo de fabricação, os metais tornam-se completamente homogêneos no nível atômico. Eles acreditam que descobrir isso poderia ajudar a projetar ligas com vários níveis de ordenação atômica de curto alcance.
Os pesquisadores usaram ferramentas avançadas de aprendizado de máquina para simular como milhões de átomos se movem e se reorganizam durante o processamento do metal.
“A primeira coisa que fazemos é deformar uma peça de metal”, explica Freitas. “Esta é uma etapa comum no processo de fabricação: você rola o metal, deforma-o e depois aquece-o novamente para deformá-lo um pouco mais para formar a estrutura desejada. Fizemos isso e rastreamos a sequência química. A ideia é que quando você deforma o material, suas ligações químicas são quebradas, o que torna o sistema aleatório. Esses violentos processos de fabricação reorganizam essencialmente os átomos. “
No entanto, os metais não tiveram o desempenho esperado. Apesar do processamento extremo, a liga nunca atinge um estado completamente aleatório. Este resultado intrigou a equipe porque nenhuma teoria existente poderia explicá-lo.
“Isso aponta para uma nova física nos metais”, escreveram os pesquisadores no artigo. “Este é um daqueles casos em que a pesquisa aplicada leva a descobertas fundamentais”.
Para explorar ainda mais, eles construíram modelos computacionais de alta precisão para capturar como os átomos interagem e métodos estatísticos para medir como a ordem evolui ao longo do tempo. Usando simulações de dinâmica molecular em grande escala, eles observaram como os átomos se reorganizavam durante a deformação e o aquecimento.
A equipa observou que certos arranjos atómicos surgiram a temperaturas inesperadamente elevadas e, mais notavelmente, padrões inteiramente novos que nunca tinham sido vistos fora da produção no mundo real. Eles descrevem esses modos como “longe do equilíbrio”.
Eles então desenvolveram um modelo simplificado para reproduzir as principais características da simulação. O modelo mostra que esses padrões surgem de defeitos no metal, torções tridimensionais irregulares na rede atômica. Quando um metal se deforma, as discordâncias se torcem e se deslocam, empurrando os átomos próximos para suas posições preferidas. Anteriormente, os investigadores pensavam que este processo destruía toda a ordem atómica, mas a equipa do MIT descobriu o contrário: as deslocações, na verdade, favorecem certas trocas atómicas, criando padrões subtis mas estáveis.
“Esses defeitos têm preferências químicas que direcionam a forma como se movem”, disse Freitas. “Eles procuram caminhos de baixa energia, então, ao escolher entre quebrar ligações químicas, eles tendem a quebrar as ligações mais fracas, e isso não é completamente aleatório. É muito emocionante porque é um estado de desequilíbrio: não é algo que você vê ocorrendo naturalmente nos materiais. É como se eu vivesse em um estado de desequilíbrio. A temperatura externa é sempre mais quente ou mais fria do que o nosso corpo, e precisamos manter um equilíbrio homeostático para sobreviver. Isso é por que existem estados nesses metais: um equilíbrio entre a tendência interna de empurrar para a desordem e de destruir alguns laços que são sempre mais fracos do que outros.”
Aplicar novas teorias
Os pesquisadores estão agora explorando como esses padrões químicos se desenvolvem sob diversas condições de fabricação. O resultado é um mapa que liga várias etapas de processamento do metal a diferentes padrões químicos no metal.
Até à data, a natureza desta sequência química e a sua regulação tem sido amplamente considerada um assunto académico. Com este diagrama, os pesquisadores esperam que os engenheiros comecem a pensar nesses padrões como alavancas de design que podem ser acionadas durante a produção para obter novas propriedades.
“Os pesquisadores têm estudado como esses arranjos atômicos alteram as propriedades dos metais – e um fator importante é a catálise”, disse Freitas sobre os processos que impulsionam as reações químicas. “A eletroquímica ocorre na superfície do metal e é muito sensível aos arranjos atômicos locais. Existem outras propriedades que você não imaginaria que seriam afetadas por esses fatores. Os danos causados pela radiação são outro grande problema. Isso afeta o desempenho desses materiais em um reator nuclear.”
Os pesquisadores disseram a Freitas que o artigo poderia ajudar a explicar outras descobertas surpreendentes sobre as propriedades dos metais, e ele está entusiasmado com a mudança do campo da pesquisa básica em direção à ordem química para um trabalho mais aplicado.
“Você pode pensar em áreas onde as ligas precisam ser muito otimizadas, como a aeroespacial”, disse Freitas. “Eles estão preocupados com composições muito específicas. A fabricação avançada agora torna possível combinar metais que normalmente não seriam misturados por deformação. Compreender como os átomos são realmente embaralhados e misturados durante esses processos é fundamental porque é a chave para ganhar força enquanto mantém a baixa densidade. Portanto, isso pode ser um grande negócio para eles.”
Este trabalho foi apoiado em parte pelo Gabinete de Investigação Científica da Força Aérea dos EUA, MathWorks e pelo Programa MIT Portugal.
