Como o estudo da fabricação de metais pode levar a baterias mais duradouras e veículos mais leves? Tudo se resume à física.
Pesquisadores do Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) estão investigando os efeitos das forças físicas nos metais, observando diretamente as mudanças em nível atômico em metais submetidos a deformação por cisalhamento.
As forças aplicadas durante a deformação por cisalhamento para alterar a forma de um metal também reorganizam seus átomos, mas não da mesma forma para todos os metais ou ligas. O arranjo atômico pode afetar propriedades do metal como resistência, conformabilidade e condutividade – portanto, entender melhor como os átomos se movem durante o cisalhamento é uma parte fundamental dos esforços contínuos para projetar metais de próxima geração com propriedades específicas do átomo para cima.
Essas visualizações formam a base para a compreensão de como a deformação por cisalhamento cria as características aprimoradas observadas em metais produzidos usando Shear Assisted Processing and Extrusion (ShAPE), uma inovação do PNNL na fabricação de metais. Durante a fabricação do ShAPE, os metais são processados usando forças de cisalhamento para produzir ligas metálicas de alto desempenho para uso em veículos e outras aplicações.
“Se entendermos o que acontece aos metais em nível atômico durante a deformação por cisalhamento, podemos usar esse conhecimento para melhorar inúmeras outras aplicações onde os metais sofrem essas mesmas forças – desde melhorar a vida útil da bateria até projetar metais com propriedades específicas, como ligas mais leves e mais fortes para veículos mais eficientes”, disse Chongmin Wang, pesquisador do Laboratório PNNL e líder da equipe de pesquisa que estuda as forças de deformação por cisalhamento induzida.
Mistérios atômicos
As forças físicas são universais. As forças que são aplicadas propositalmente durante a fabricação de metais para criar ligas são as mesmas forças que podem danificar estruturas dentro das baterias e causar eventuais falhas. Os pesquisadores também sabem que a deformação por cisalhamento pode alterar fundamentalmente a microestrutura dos metais de maneiras que podem realmente melhorar o material – tornando os metais mais fortes, mais leves e mais flexíveis. Mas como isso acontece ainda é um mistério.
“Se você tirasse uma foto de um corredor no início e no final de sua corrida, você poderia pensar que ele não se moveu”, explicou Arun Devaraj, cientista de materiais do PNNL. “Mas se você filmar o corredor enquanto ele percorre a pista, saberá a distância que ele percorreu. É a mesma coisa aqui. Se entendermos exatamente o que acontece com os metais no nível atômico durante a deformação por cisalhamento, poderíamos aplicar isso conhecimento estrategicamente para projetar materiais com propriedades específicas.”
O padrão ouro
Para observar como a deformação por cisalhamento reorganiza os átomos metálicos, os pesquisadores usaram uma sonda especializada dentro de um microscópio eletrônico de transmissão no PNNL, que está entre os poucos laboratórios com essa capacidade no mundo. A equipe de pesquisa usou o microscópio para registrar como as fileiras individuais de átomos nos metais se moviam durante a deformação por cisalhamento. Eles começaram observando o ouro – o padrão porque é mais fácil de visualizar em nível atômico.
Quando os pesquisadores observaram o ouro sofrendo cisalhamento, perceberam que os cristais de ouro estavam divididos em grãos menores. Eles notaram que defeitos naturais no arranjo dos átomos de ouro mudaram a forma como a deformação por cisalhamento movia os átomos. Esta é uma informação útil porque os defeitos são comuns em metais durante a deformação, mas não se comportam da mesma forma em todos os metais – o que pode afetar diretamente as propriedades do metal.
“Os defeitos no cristal, no tamanho do grão e na microestrutura de um metal podem afetar as características do metal, como resistência e tenacidade. É por isso que é importante entender como a deformação por cisalhamento move os átomos do metal e afeta a microestrutura geral do metal”, disse Shuang Li. , pós-doutorado no PNNL e primeiro autor de três estudos que compartilham esses resultados.
Em seguida, a equipe de pesquisa analisou o cobre. Eles observaram como a deformação por cisalhamento cria nanogêmeos – características estruturais que tornam os metais mais fortes. Observando uma liga de cobre e nióbio, eles descobriram que a deformação por cisalhamento afeta os átomos de maneira diferente dentro das fases de cobre e nióbio da mistura metálica. Este é um insight valioso que pode informar como fabricar ligas com propriedades específicas usando deformação por cisalhamento.
As informações obtidas ao estudar como essas forças afetam os metais durante processos de fabricação controlados podem ser traduzidas e aplicadas diretamente onde quer que o metal sofra as mesmas forças físicas. Por exemplo, a capacidade de visualização em nível atômico do PNNL também é útil para compreender como os materiais usados em condições extremas (por exemplo, reatores nucleares) ou aplicações de energia limpa (por exemplo, linhas de transmissão de hidrogênio e tanques de armazenamento) responderão a tensões externas. Baterias mais duradouras, ligas mais leves para veículos mais eficientes e design personalizado de metais de próxima geração com maior resistência e condutividade poderiam ser possíveis através de uma melhor compreensão da física atômica da fabricação de metais.
Publicado em 09/11/2022 01h05
Artigo original:
Estudo original: