Cientistas do MIT descobrem que metais contêm padrões atômicos secretos

Pesquisadores do MIT descobriram agora que esses arranjos químicos sutis também persistem em metais produzidos através de processos industriais padrão. A descoberta inesperada aponta para um novo princípio físico que explica porque é que estes padrões permanecem.

Em um estudo publicado em Comunicações da Naturezaa equipe do MIT detalhou como identificaram e analisaram os padrões, descobrindo a física que os impulsiona. Eles também desenvolveram um modelo que prevê como esses padrões se formam, permitindo que os engenheiros os ajustem potencialmente para ajustar as propriedades de um metal para uso em aplicações aeroespaciais, semicondutoras ou nucleares.

“A conclusão é: você nunca pode randomizar completamente os átomos de um metal. Não importa como você o processa, “explica Rodrigo Freitas, professor assistente do TDK no Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais do MIT. “Este é o primeiro artigo que mostra esses estados de desequilíbrio que são retidos no metal. No momento, essa ordem química não é algo que estamos controlando ou prestando atenção quando fabricamos metais.”

Para Freitas, um investigador em início de carreira, a descoberta valida a sua decisão de prosseguir um problema que muitos outros pensavam já estar resolvido. Ele credita o apoio do Programa de Jovens Investigadores do Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea dos EUA e o esforço colaborativo de sua equipe, que inclui três estudantes de doutorado do MIT – Mahmudul Islam, Yifan Cao e Killian Sheriff – como co-autores.

“Havia a questão de saber se eu deveria abordar esse problema específico porque as pessoas já trabalham nisso há muito tempo”, diz Freitas. “Mas quanto mais eu aprendia sobre isso, mais percebia que os pesquisadores estavam pensando sobre isso em cenários laboratoriais idealizados. Queríamos realizar simulações que fossem tão realistas quanto possível para reproduzir esses processos de fabricação com alta fidelidade. Minha parte favorita deste projeto é como as descobertas são não intuitivas. O fato de que você não pode misturar algo completamente, as pessoas não previram isso.”

Das surpresas às teorias

Freitas e sua equipe começaram com uma pergunta simples: com que rapidez os elementos se misturam durante o processamento dos metais? O pensamento convencional sugeria que chega um ponto em que os metais se tornam completamente uniformes no nível atômico durante a fabricação. Encontrar esse ponto, eles acreditavam, poderia ajudar a projetar ligas com vários níveis de ordem atômica de curto alcance.

Usando ferramentas avançadas de aprendizado de máquina, os pesquisadores simularam como milhões de átomos se moviam e se reorganizavam durante o processamento do metal.

“A primeira coisa que fizemos foi deformar uma peça de metal”, explica Freitas. “Essa é uma etapa comum durante a fabricação: você rola o metal e o deforma e aquece novamente e deforma um pouco mais, para que ele desenvolva a estrutura que você deseja. Fizemos isso e rastreamos a ordem química. O pensamento era que quando você deforma o material, suas ligações químicas são quebradas e isso torna o sistema aleatório. Esses processos de fabricação violentos essencialmente embaralham os átomos.”

No entanto, os metais não se comportaram como esperado. Apesar do processamento extremo, as ligas nunca atingiram um estado completamente aleatório. O resultado intrigou a equipe, já que nenhuma teoria existente poderia explicar isso.

“Isso apontou para uma nova parte da física dos metais”, escrevem os pesquisadores no artigo. “Foi um daqueles casos em que a pesquisa aplicada levou a uma descoberta fundamental.”

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. Através de simulações de dinâmica molecular em grande escala, eles observaram como os átomos se reorganizavam durante a deformação e o aquecimento.

A equipe observou que certos arranjos atômicos apareciam em temperaturas inesperadamente altas e, ainda mais notável, surgiam padrões inteiramente novos que nunca haviam sido vistos fora da produção no mundo real. Eles descreveram esses padrões como “estados distantes do equilíbrio”.

Eles então desenvolveram um modelo simplificado para reproduzir as principais características das simulações. O modelo revelou que esses padrões se originam de defeitos em metais conhecidos como discordâncias – distorções tridimensionais irregulares na rede atômica. Quando o metal é deformado, as discordâncias se torcem e se deslocam, empurrando os átomos próximos para 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 orientam a forma como se movem”, diz Freitas. “Eles procuram caminhos de baixa energia, então, se puderem escolher entre quebrar ligações químicas, eles tendem a quebrar as ligações mais fracas, e isso não é completamente aleatório. Isso é muito emocionante porque é um estado de desequilíbrio: não é algo que você veria ocorrendo naturalmente nos materiais. É da mesma forma que nossos corpos vivem em desequilíbrio. A temperatura externa é sempre mais quente ou mais fria do que nossos corpos, e estamos mantendo esse equilíbrio em estado estacionário para permanecermos vivos. É por isso que estes existem estados no metal: o equilíbrio entre um impulso interno em direção à desordem mais essa tendência ordenadora de romper certos laços que são sempre mais fracos que outros.”

Aplicando uma nova teoria

Os pesquisadores estão agora explorando como esses padrões químicos se desenvolvem em uma ampla gama de condições de fabricação. O resultado é um mapa que liga várias etapas de processamento de metal a diferentes padrões químicos no metal.

Até à data, esta ordem química e as propriedades que ajustam têm sido amplamente consideradas um assunto académico. Com este mapa, os investigadores esperam que os engenheiros possam começar a pensar nestes padrões como alavancas de design que podem ser acionadas durante a produção para obter novas propriedades.

“Os pesquisadores têm observado como esses arranjos atômicos alteram as propriedades metálicas – um grande problema é a catálise”, diz Freitas sobre o processo que impulsiona as reações químicas. “A eletroquímica acontece na superfície do metal e é muito sensível aos arranjos atômicos locais. E há outras propriedades que você não imaginaria que seriam influenciadas por esses fatores. Os danos causados ​​pela radiação são outro grande problema. Isso afeta o desempenho desses materiais em reatores nucleares.”

Os pesquisadores já disseram a Freitas que o artigo poderia ajudar a explicar outras descobertas surpreendentes sobre propriedades metálicas, e ele está entusiasmado com o fato de o campo passar da pesquisa fundamental em ordem química para um trabalho mais aplicado.

“Você pode pensar em áreas onde são necessárias ligas muito otimizadas, como a aeroespacial”, diz Freitas. “Eles se preocupam com composições muito específicas. A fabricação avançada agora torna possível combinar metais que normalmente não se misturariam por deformação. Compreender como os átomos realmente se misturam e se misturam nesses processos é crucial, porque é a chave para ganhar força e ao mesmo tempo manter 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.