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May 25, 2023

Quando os materiais ficam difíceis, os cientistas começam a medir

Resistente sob estresse – essa é uma característica útil tanto para as pessoas em quem você confia quanto para os materiais nos quais você confia. Você deseja que estruturas como pontes ou materiais em aviões sejam fortes e improváveis

Resistente sob estresse – essa é uma característica útil tanto para as pessoas em quem você confia quanto para os materiais nos quais você confia. Você deseja que estruturas como pontes ou materiais em aviões sejam fortes e com pouca probabilidade de rachar.

Cientistas do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley e do Laboratório Nacional Oak Ridge do Departamento de Energia mediram o material mais resistente já registrado - uma liga metálica de cromo, cobalto e níquel. Na medida que os cientistas usam para medir a tenacidade, as estruturas usadas nos aviões são 35 e os melhores aços ficam em torno de 100. Em contrapartida, esse material era 500! O material também fica mais resistente à medida que esfria, o que é muito incomum.

A tenacidade em materiais é uma combinação de um material ser forte e dúctil, a capacidade de dobrar ou esticar em resposta ao estresse. Em quase todos os materiais, a resistência e a ductilidade são uma compensação. Se você tem mais de um, você tem menos do outro. Isso porque os metais são cristais. Eles são compostos de unidades únicas que se repetem continuamente. Essas unidades constituem uma rede 3D, como um cubo de Rubik. As propriedades de resistência e ductilidade dependem das propriedades da rede.

Mas sempre há lugares pequenos onde as unidades individuais não são perfeitamente iguais. Os físicos chamam essas imperfeições de defeitos. Freqüentemente, eles estão nos limites onde as unidades se encontram. Um tipo comum de defeito é chamado de luxação. É onde a parte imperfeita da rede encontra uma parte perfeita. Quando você aplica força a um material, os deslocamentos se movem e o material se curva. Quanto mais fácil for o movimento das discordâncias, mais dúctil será o material. Em contraste, um material é forte quando há bloqueios que impedem o movimento desses deslocamentos. Você precisa de mais força para dobrá-lo. No entanto, isso também o torna mais frágil e sujeito a rachaduras.

Esta liga é incomum porque, em vez de resistência e ductilidade serem compensações, ela possui ambas em abundância. Parte de sua singularidade vem do fato de ser uma liga de alta entropia. Ligas são misturas de metais. Eles possuem propriedades dos diferentes elementos da mistura. A maioria das ligas é composta principalmente de um elemento com uma pequena quantidade de outro adicionado. Mas as ligas de alta entropia têm uma mistura igual de cada elemento. Isso lhes confere resistência e ductilidade muito altas sob estresse. Mesmo dentro deste grupo, esta liga específica é distinta. Possui três obstáculos de deslocamento diferentes que lhe conferem uma combinação única de propriedades.

Embora os cientistas de materiais tenham desenvolvido ligas de alta entropia há 20 anos, só recentemente tivemos a tecnologia para testar exatamente quão boas elas são. Quase uma década atrás, os cientistas do Berkeley Lab reduziram este material a -321 F. Embora quisessem testá-lo em temperaturas mais baixas, a tecnologia simplesmente não estava disponível. No ano passado, a equipe testou-o à temperatura do hélio líquido – isso é -424 F! Além disso, a nova tecnologia de microscópio permitiu examinar os diferentes cristais e os defeitos até a largura de apenas alguns átomos.

Este material não será usado em aplicações tão cedo. Leva muito tempo para refinar e testar materiais antes de usá-los em aviões ou pontes. Mas medir e compreender este material aproxima-nos da sua utilização, especialmente em ambientes extremos como o espaço profundo. Além disso, ajuda os cientistas a compreender como poderiam produzir materiais com propriedades semelhantes a partir de elementos mais abundantes e mais baratos.