Metais superduros so criados a partir de nanopartculas

Mecnica

Redação do Site Inovação Tecnológica – 27/01/2021

Como endurecer metais

Engenheiros e qumicos da Universidade Brown, nos EUA, descobriram uma maneira de ajustar a estrutura dos gros que formam um metal ou liga metlica, tornando o material pelo menos quatro vezes mais duro do que o metal original.

Se voc gosta de metalurgia ou ferramentaria, deve conhecer vrias tcnicas para tornar um pedao de metal mais duro. Antes de submet-lo tmpera e revenimento, os profissionais costumam pegar o metal e dobr-lo, torc-lo, coloc-lo entre dois rolos ou martel-lo.

Todos esses mtodos funcionam quebrando a estrutura de gros que formam o metal – os domnios cristalinos microscpicos que formam um grande pedao de metal. Quanto menores os gros, mais duros se tornam os metais.

Yasutaka Nagaoka e seus colegas inverteram o processo: Em vez de partir de um pedao grande de metal e tentar quebrar suas partes constituintes, reduzindo-as de tamanho, eles partiram de nanopartculas, que podem ser fabricadas nas dimenses e formatos desejados, e ento construram o metal de baixo para cima por compresso.

“O martelamento e outros mtodos de endurecimento so todos modos de cima para baixo de alterar a estrutura do gro, e muito difcil controlar o tamanho do gro ao qual voc chega. O que fizemos foi criar blocos de construo de nanopartculas que se fundem quando voc as comprime. Desta forma podemos ter tamanhos de gros uniformes, que podem ser precisamente ajustados para obtermos propriedades aprimoradas,” disse o professor Ou Chen, coordenador da equipe.

Fabricando metais de baixo para cima

Para demonstrao da tcnica, os pesquisadores fizeram “moedas” em escala centimtrica usando nanopartculas de ouro, prata, paldio e outros metais.

Itens desse tamanho podem ser teis para fazer materiais de revestimento de alto desempenho, eletrodos ou geradores termoeltricos (dispositivos que convertem fluxos de calor em eletricidade). Mas os pesquisadores acreditam que o processo pode ser facilmente ampliado para fazer revestimentos de metal superduros ou componentes industriais maiores.

A chave do processo o tratamento qumico dado s nanopartculas, que se tornam os blocos bsicos de construo das peas metlicas. Nanopartculas de metal so normalmente cobertas por molculas orgnicas chamadas ligantes, que geralmente evitam a formao de ligaes metal-metal entre elas. Nagaoka descobriu uma maneira de remover esses ligantes quimicamente, permitindo que os aglomerados se fundissem com apenas um pouco de presso.

As moedas de metal feitas com a tcnica so substancialmente mais duras do que o metal padro – as moedas de ouro, por exemplo, so de duas a quatro vezes mais duras do que o ouro puro.

As propriedades pticas do metal tambm se alteram. No caso do ouro, houve uma mudana dramtica de cor quando as nanopartculas foram comprimidas.

“Por causa do que conhecido como efeito plasmnico, as nanopartculas de ouro so, na verdade, de cor preto-prpura,” contou o professor Chen. “Mas quando aplicamos presso, vemos esses aglomerados arroxeados de repente se transformarem em uma cor dourada brilhante. Essa uma das maneiras pelas quais sabamos que havamos formado ouro slido.”

Alm de vrios metais, a equipe j usou a tcnica para fabricar vidros metlicos.
[Imagem: Yasutaka Nagaoka et al. – 10.1016/j.chempr.2020.12.026]

Metais e vidros metlicos monocomponentes

Em tese, a tcnica pode ser usada para fazer qualquer tipo de metal. Na verdade, a equipe j fez suas incurses em outras reas, fabricando uma forma extica de metal conhecida como vidro metlico.

Os vidros metlicos so amorfos, o que significa que no tm a estrutura cristalina que se repete regularmente, como nos metais normais. Isso d origem a propriedades notveis: Os vidros metlicos so moldados com mais facilidade do que os metais tradicionais, podem ser muito mais fortes e resistentes a rachaduras e exibem supercondutividade em baixas temperaturas.

“Fazer vidro metlico a partir de um nico componente notoriamente difcil, ento a maioria dos vidros metlicos so ligas,” disse Chen. “Mas fomos capazes de comear com nanopartculas de paldio amorfo e usar nossa tcnica para fazer um vidro metlico de paldio. Acreditamos que h muito potencial aqui, tanto para a indstria quanto para a comunidade de pesquisa cientfica.”

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