Pesquisadores da Universidade de Nottingham desenvolveram uma nova técnica revolucionária para medir a elasticidade microscópica dos materiais pela primeira vez. Conhecida como SRAS, a tecnologia funciona medindo a velocidade do som na superfície do material.
A inovação financiada pelo Conselho de Pesquisa em Engenharia e Ciências Físicas (EPSRC) usa ultrassom de alta frequência para produzir imagens de resolução microscópica da microestrutura e mapeia a relação entre tensões e deformações no material (a matriz de elasticidade). Esses cristais são normalmente invisíveis a olho nu, mas medindo com precisão a velocidade do som na superfície desses cristais, sua orientação e a elasticidade inerente do material podem ser reveladas.
Essa tecnologia já está começando a ser usada em áreas como a aeroespacial para entender o desempenho de novos materiais e processos de fabricação. No futuro, isso lançará um novo campo de pesquisa, pois a técnica é usada como uma maneira completamente nova de avaliar materiais para melhorar a segurança em sistemas como pás de turbinas de motores a jato ou desenvolver novas ligas de design com rigidez sob medida. Por exemplo, em implantes médicos, é vital combinar a rigidez dos dispositivos protéticos com as propriedades do corpo humano para garantir um funcionamento harmonioso.
Paul Dryburgh, co-líder do estudo do Optics and Photonics Research Group da Universidade de Nottingham, disse: “Muitos materiais (como metais) são feitos de pequenos cristais. A forma e a rigidez desses cristais são essenciais para a o desempenho do material. Isso significa que, se tentarmos puxar o material, como faríamos uma mola, a elasticidade depende do tamanho, forma e orientação de cada uma dessas centenas, milhares ou mesmo milhões de cristais. Esse comportamento complexo torna impossível determinar a rigidez microscópica inerente. Isso tem sido um problema por mais de 100 anos, pois não tínhamos meios adequados para medir essa propriedade.”
“O desenvolvimento do SRAS++ é um avanço notável porque fornece o primeiro método para medir a elasticidade da matriz sem conhecer a distribuição dos cristais no material”, explica o coautor, professor Matt Clark, também do Optics and Photonics Research Group. “O SRAS não exige a preparação exata de um único cristal; é rápido (podem ser feitas milhares de medições a cada segundo) e oferece uma precisão de medição inigualável. A velocidade da técnica é tal que estimamos que poderíamos repetir toda a elasticidade histórica medições dos últimos 100 anos nos próximos seis meses.”
Há um grande impulso para novos materiais mais leves e mais fortes para fornecer sistemas mais eficientes. No entanto, encontrar um novo material com as propriedades desejadas tem sido descrito como um problema de agulha no palheiro. Juntamente com a rigidez do material, a matriz de elasticidade também fornece informações sobre muitas propriedades importantes do material que são difíceis de medir diretamente, como como o material responde às mudanças de temperatura. Isso significa que a medição rápida da matriz de elasticidade pode ser usada como um ‘roteiro’ para encontrar os materiais de próxima geração com propriedades superiores, tornando o SRAS++ uma ferramenta essencial no desenvolvimento de novos materiais.
Anteriormente, a única maneira de medir a matriz de elasticidade era cortar o componente ou tentar crescer um único cristal do material, um processo que não pode ser feito para muitos materiais, como as ligas de titânio usadas nos modernos motores a jato. As estimativas são de que menos de 200 materiais (dos muitos milhares) tiveram sua elasticidade medida. O resultado é que a elasticidade da maioria dos materiais industriais é desconhecida, o que significa que há uma incerteza significativa (e em alguns casos, potencialmente perigosa) no desempenho real do material colocado em uso.
O ultrassom a laser, a ciência de transformar energia óptica de alta energia em som, permite que o ultrassom seja criado em uma área extremamente pequena (200 µm, aproximadamente a mesma largura de 2 a 3 cabelos humanos). Isso significa que os pesquisadores podem criar com precisão ondas sonoras em cada um desses cristais no metal, um por um; ao medir a velocidade do som em cada cristal, eles podem dizer a forma dos cristais e a matriz de elasticidade do material em escala microscópica. O som viaja pela superfície dos metais 10 vezes mais rápido do que pelo ar (a ~3000 m/s).
As descobertas são relatadas em um novo artigo, intitulado “Medição da matriz de elasticidade de cristal único de materiais policristalinos”, publicado na revista Acta Materalia.
Publicado em 16/02/2022 19h50
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