Por anos, os cientistas sabem que padrões químicos minúsculos podem se formar dentro de ligas metálicas, mas a maioria supunha que esses padrões eram insignificantes ou desapareciam durante a fabricação. Experimentos recentes mostraram que, em condições controladas de laboratório, tais padrões podem realmente influenciar o comportamento dos metais – afetando sua resistência, durabilidade, resistência ao calor e até mesmo como suportam radiação.
Pesquisadores do MIT descobriram agora que esses arranjos químicos sutis também persistem em metais produzidos por meio de processos industriais normais. A descoberta inesperada aponta para um novo princípio físico que explica por que esses padrões permanecem.
Em um estudo publicado na Nature Communications, a equipe do MIT detalhou como identificaram e analisaram os padrões, revelando a física que os impulsiona. Eles também desenvolveram um modelo que prevê como esses padrões se formam, permitindo que engenheiros potencialmente os ajustem para aperfeiçoar as propriedades de um metal para uso em aplicações aeroespaciais, semicondutores ou nucleares.
“A conclusão é: você nunca pode randomizar completamente os átomos em um metal. Não importa como você o processe”, explica Rodrigo Freitas, professor assistente TDK no Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais do MIT. “Este é o primeiro artigo que mostra esses estados fora de equilíbrio que são retidos no metal. Neste momento, essa ordem química não é algo que estamos controlando ou prestando atenção ao fabricar metais.”
Para Freitas, um pesquisador no início da carreira, a descoberta valida sua decisão de abordar um problema que muitos acreditavam já estar resolvido. Ele credita o apoio do Programa de Jovens Pesquisadores 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-primeiros autores.
“Havia a questão de se eu deveria mesmo abordar esse problema específico porque as pessoas estão trabalhando nisso há muito tempo”, diz Freitas. “Mas quanto mais aprendi sobre isso, mais percebi que os pesquisadores estavam pensando nisso em cenários laboratoriais idealizados. Queríamos realizar simulações que fossem o mais realistas possível para reproduzir esses processos de fabricação com alta fidelidade. Minha parte favorita deste projeto é como os resultados são não intuitivos. O fato de que você não pode misturar completamente algo, as pessoas não esperavam por isso.”
De surpresas a teorias
Freitas e sua equipe começaram com uma pergunta simples: como os elementos se misturam rapidamente durante o processamento dos metais? O pensamento convencional sugeria que há um ponto em que os metais se tornam completamente uniformes no nível atômico durante a fabricação. Encontrar esse ponto, acreditavam, poderia ajudar a projetar ligas com diferentes níveis de ordem atômica de curto alcance.
Usando ferramentas avançadas de aprendizado de máquina, os pesquisadores simularam como milhões de átomos se moveram e rearranjaram durante o processamento dos metais.
“A primeira coisa que fizemos foi deformar um pedaço de metal”, explica Freitas. “Esse é um passo comum durante a fabricação: você enrola o metal e o deforma e o aquece novamente e deforma um pouco mais, para que ele desenvolva a estrutura que você deseja. Fizemos isso e acompanhamos a ordem química. A ideia era que, ao deformar o material, suas ligações químicas fossem quebradas e isso randomizasse o sistema. 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 alcançaram um estado completamente aleatório. O resultado perplexou a equipe, uma vez que nenhuma teoria existente poderia explicar isso.
“Isso apontou para um novo pedaço de física nos metais”, escrevem os pesquisadores no artigo. “Foi um daqueles casos em que a pesquisa aplicada levou a uma descoberta fundamental.”
Para investigar 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, 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 notavelmente, novos padrões inteiramente novos emergiram que nunca haviam sido vistos fora da fabricação real. Eles descreveram esses padrões como “estados fora de equilíbrio”.
Em seguida, 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 deslocamentos – distorções tridimensionais irregulares na rede atômica. Quando o metal é deformado, os deslocamentos se torcem e se deslocam, empurrando átomos próximos para posições preferenciais. Anteriormente, os pesquisadores pensavam que esse processo destruía toda a ordem atômica, mas a equipe do MIT descobriu o oposto: os deslocamentos realmente favorecem certas trocas atômicas, criando padrões sutis, mas estáveis.
“Esses defeitos têm preferências químicas que guiam como eles se movem”, diz Freitas. “Eles procuram caminhos de baixa energia, então, dada a escolha entre quebrar ligações químicas, tendem a quebrar as ligações mais fracas, e não é completamente aleatório. Isso é muito empolgante porque é um estado fora de equilíbrio: não é algo que você veria ocorrendo naturalmente em materiais. É da mesma forma que nossos corpos vivem em não-equilíbrio. A temperatura externa é sempre mais quente ou mais fria do que nossos corpos, e estamos mantendo esse estado de equilíbrio constante para nos manter vivos. É por isso que esses estados existem nos metais: o equilíbrio entre um impulso interno em direção à desordem e essa tendência de ordenação ao quebrar certas ligações que são sempre mais fracas do que as outras.”
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 do processamento de metais a diferentes padrões químicos no metal.
Até agora, essa ordem química e as propriedades que elas ajustam foram amplamente consideradas um assunto acadêmico. Com esse mapa, 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 olhado para as maneiras como esses arranjos atômicos mudam as propriedades metálicas – uma grande delas é a catálise”, diz Freitas sobre o processo que movimenta reações químicas. “A eletroquímica acontece na superfície do metal, e é muito sensível aos arranjos atômicos locais. E há outras propriedades que você não pensaria que seriam influenciadas por esses fatores. O dano por radiação é mais uma grande questão. Isso afeta o desempenho desses materiais em reatores nucleares.”
Os pesquisadores já disseram a Freitas que o artigo pode ajudar a explicar outras descobertas surpreendentes sobre propriedades metálicas, e ele está empolgado para que o campo passe de pesquisas fundamentais sobre ordem química para trabalhos mais aplicados.
“Você pode pensar em áreas onde precisa de ligas muito otimizadas, como na aeroespacial”, diz Freitas. “Eles se importam com composições muito específicas. A fabricação avançada agora torna possível combinar metais que normalmente não se misturariam por meio da deformação. Compreender como os átomos realmente se embaralham e se misturam nesses processos é crucial, porque é a chave para obter resistência enquanto ainda mantém a baixa densidade. Portanto, isso pode ser uma grande questão para eles.”
Este trabalho foi apoiado, em parte, pelo Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea dos EUA, MathWorks e o Programa MIT-Portugal.
