Traduzido por Julio Batista
Original de Michelle Starr para o ScienceAlert
Uma liga de cromo, cobalto e níquel acaba de nos dar a maior resistência à fratura já medida em um material na Terra.
Possui resistência e ductilidade excepcionalmente altas, levando ao que uma equipe de cientistas chamou de “excepcional tolerância a danos”.
Além disso – e contraintuitivamente – essas propriedades aumentam à medida que o material esfria, sugerindo algum potencial interessante para aplicações em ambientes criogênicos extremos.
“Ao projetar materiais estruturais, você deseja que eles sejam fortes, mas também dúcteis e resistentes à fratura”, disse o metalúrgico Easo George, líder do Centro de Teoria e Desenvolvimento Avançado de Ligas no Laboratório Nacional de Oak Ridge e na Universidade do Tennessee, EUA.
“Normalmente, buscamos um compromisso entre essas propriedades. Mas esse material é ambos e, em vez de se tornar quebradiço em baixas temperaturas, fica mais resistente.”
Resistência e ductilidade são duas propriedades que determinam a durabilidade de um material. Resistência seria aquela contra a deformação e a fratura. E a ductilidade descreve o quão maleável é um material. Essas duas propriedades contribuem para sua resistência geral.
George e seu colega autor sênior, o engenheiro mecânico Robert Richie, do Laboratório Nacional de Berkeley e da Universidade da Califórnia, Berkeley, EUA, passaram algum tempo trabalhando em uma classe de materiais conhecidos como ligas de alta entropia. A maioria das ligas é dominada por um elemento, com pequenas proporções de outros misturados. Ligas de alta entropia contêm elementos misturados em proporções iguais.
Uma dessas ligas, CrMnFeCoNi (cromo, manganês, ferro, cobalto e níquel), tem sido objeto de intenso estudo depois que os cientistas notaram que sua resistência à deformação e ductilidade aumentam na temperatura do nitrogênio líquido sem comprometer a resistência à fratura.
Um derivado desta liga, CrCoNi (cromo, cobalto e níquel), apresentou propriedades ainda mais excepcionais. Então, George, Ritchie e sua equipe estalaram os dedos e começaram a levá-lo ao limite.
Os experimentos anteriores com CrMnFeCoNi e CrCoNi foram conduzidos em temperaturas de nitrogênio líquido, até 77 Kelvin (-196 °C). A equipe foi ainda mais longe, com temperaturas de hélio líquido.
Os resultados foram além de impressionantes.
“A resistência à fratura deste material próximo a temperaturas de hélio líquido (20 Kelvin ou -253 °C) chega a 500 megapascals metros de raiz quadrada”, explicou Ritchie.
“Nas mesmas unidades, a resistência à fratura de um pedaço de silício é 1, a estrutura de alumínio em aviões de passageiros é de cerca de 35, e a resistência à fratura de alguns dos melhores aços é de cerca de 100. Então, 500, é um número impressionante.”
Para descobrir como funciona, a equipe usou difração de nêutrons, difração de retroespalhamento de elétrons e microscopia eletrônica de transmissão para estudar CrCoNi até o nível atômico quando fraturado em temperatura ambiente e em frio extremo.
Isso envolvia quebrar o material e medir a tensão necessária para causar o crescimento da fratura e, em seguida, observar a estrutura cristalina das amostras.
Os átomos nos metais são arranjados em um padrão repetitivo no espaço tridimensional. Esse padrão é conhecido como rede cristalina. Os componentes repetidos na rede são conhecidos como células unitárias.
Às vezes, os limites são criados entre as células unitárias que estão deformadas e as que não estão. Esses limites são chamados de deslocamentos e, quando a força é aplicada ao metal, eles se movem, permitindo que o metal mude de forma. Quanto mais deslocamentos um metal tiver, mais maleável ele será.
Irregularidades no metal podem bloquear o movimento dos deslocamentos; é isso que torna um material forte. Mas se os deslocamentos forem bloqueados, em vez de deformados, um material pode rachar, de modo que alta resistência pode significar alta fragilidade. No CrCoNi, os pesquisadores identificaram uma sequência particular de três blocos de deslocamento.
O primeiro a ocorrer é o deslizamento, que é quando partes paralelas da rede cristalina se afastam umas das outras. Isso faz com que as células unitárias não coincidam mais perpendicularmente à direção de deslizamento.
A força contínua produz nanoconjuntos, onde as redes cristalinas formam um arranjo espelhado em ambos os lados de um limite. Se ainda mais força for aplicada, essa energia será usada para reorganizar a forma das células unitárias, de uma rede cristalina cúbica para hexagonal.
“Conforme você puxa, o primeiro mecanismo é iniciado, o segundo é iniciado, o terceiro é iniciado e o quarto também”, disse Ritchie.
“Agora, muitas pessoas dirão, bem, vimos nanoconjuntos em materiais comuns, vimos esse deslizamento em materiais comuns. Isso é verdade. Não há nada de novo nisso, mas é o fato de que todos eles ocorrem nessa sequência mágica que nos dá essas propriedades realmente tremendas.”
Os pesquisadores também testaram CrMnFeCoNi em temperaturas de hélio líquido, mas não teve um desempenho tão bom quanto seu derivado mais simples.
O próximo passo será investigar as possíveis aplicações desse material, bem como encontrar outras ligas de alta entropia com propriedades semelhantes.
A pesquisa foi publicada na Science.
