Créditos: Imagem: Edward Pang
O material à base de cerâmica pode ser usado para atuadores altamente eficientes para aeronaves ou outros usos, com peças móveis mínimas.
Metais com memória de forma, que podem reverter de uma forma para outra simplesmente por serem aquecidos ou acionados de outra forma, têm sido úteis em uma variedade de aplicações, como atuadores que podem controlar o movimento de vários dispositivos. Agora, a descoberta de uma nova categoria de materiais com memória de forma feitos de cerâmica em vez de metal pode abrir uma nova gama de aplicações, especialmente para configurações de alta temperatura, como atuadores dentro de um motor a jato ou em um poço profundo.
As novas descobertas foram relatadas hoje na revista Nature, em um artigo do ex-aluno de doutorado Edward Pang PhD ’21 e dos professores Gregory Olson e Christopher Schuh, todos do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais do MIT.
Os materiais com memória de forma, explica Schuh, têm duas formas distintas e podem alternar entre elas. Eles podem ser facilmente acionados por temperatura, estresse mecânico ou campos elétricos ou magnéticos, para mudar de forma de uma maneira que exerça força, diz ele.
“Eles são materiais interessantes porque são como um pistão de estado sólido”, diz ele – em outras palavras, um dispositivo que pode empurrar algo. Mas enquanto um pistão é um conjunto de muitas peças, um “material com memória de forma é um material de estado sólido que faz tudo isso. Não precisa de sistema. Não precisa de muitas peças. É apenas um material e muda sua forma espontaneamente. Pode dar trabalho. Então, é interessante como um ‘material inteligente'”, diz ele.
Os metais com memória de forma têm sido usados há muito tempo como atuadores simples em uma variedade de dispositivos, mas são limitados pelas temperaturas de serviço alcançáveis dos metais usados, geralmente algumas centenas de graus Celsius no máximo. A cerâmica pode suportar temperaturas muito mais altas, às vezes até milhares de graus, mas é conhecida por sua fragilidade. Agora, a equipe do MIT encontrou uma maneira de superar isso e produzir um material cerâmico que pode atuar sem acumular danos, tornando possível que ele funcione de maneira confiável como um material com memória de forma através de muitos ciclos de uso.
“Os materiais com memória de forma que existem no mundo são todos de metal”, diz Schuh. “Quando você altera a forma de um material no nível atômico, há muitos danos que podem ser criados. Os átomos precisam se reorganizar e mudar sua estrutura. E como os átomos estão se movendo e se reorganizando, é meio fácil colocá-los nos lugares errados e criar defeitos e danificar o material, o que os leva à fadiga e, eventualmente, desmorona.”
Ele acrescenta que “você acaba com materiais que podem se deformar algumas vezes, mas eventualmente eles se degradam e podem desmoronar. E como os metais são tão dúcteis, eles são um pouco mais resistentes a danos e, portanto, o campo realmente se concentrou em metais porque quando um metal é danificado por dentro, ele pode tolerá-lo”.
A cerâmica, por outro lado, não tolera bem os danos e normalmente não dobra, mas fratura. A zircônia é conhecida por ter uma propriedade de memória de forma, mas acumula danos com muita facilidade durante um ciclo de memória de forma – uma propriedade medida como alta histerese. “O que queríamos fazer com este trabalho era projetar uma nova cerâmica e visar especificamente essa histerese. Queríamos projetar uma cerâmica onde a transformação [da forma] ainda fosse gigantesca: queremos fazer muito trabalho. Mas internamente, na escala atômica, é mais suave.”
Schuh explica que Pang, que liderou o trabalho, “pegou todas as ferramentas modernas da ciência, tudo o que você pode nomear – termodinâmica computacional, física de transformação de fase, cálculos cristalográficos, machine learning – e juntou todas essas ferramentas de uma maneira totalmente nova.” para resolver o problema de criar tal material.
O resultado foi uma nova variação de zircônia. “Basicamente, é zircônia”, diz Schuh. “Parece, cheira e tem gosto de zircônia que as pessoas já conhecem e usam, inclusive como zircônia cúbica em joias.” Mas alguns átomos de diferentes elementos foram introduzidos em sua estrutura de uma forma que altera algumas de suas propriedades. Esses elementos “se dissolvem na rede, e a esculpem, e mudam essa transformação, a tornam mais suave na escala atômica”.
A histerese mudou tão drasticamente que agora se assemelha à dos metais, diz Schuh. “Essa foi uma mudança enorme, enorme – estamos falando de um fator de 10”. E a deformação que o material pode atingir é de cerca de 10%, o que significa que uma haste desse material pode ficar 10% mais longa quando acionada – o suficiente para fazer um trabalho significativo.
Uma aplicação comum de materiais com memória de forma são as válvulas de alívio, onde se um tanque de algo exceder uma certa temperatura crítica, a válvula é acionada por esse calor, abrindo automaticamente para aliviar a pressão e evitar explosões. O novo material cerâmico pode agora estender essa capacidade para situações de temperatura muito mais altas do que os materiais atuais podem suportar.
Por exemplo, atuadores que direcionam o fluxo de ar dentro de um motor a jato podem ser uma aplicação útil, diz Pang. Embora o ambiente geral seja quente, existem vários canais de fluxo de ar sendo controlados, de modo que esses fluxos podem ser usados para acionar uma cerâmica com memória de forma direcionando ar mais frio ou mais quente no dispositivo, conforme necessário.
Hoje, as cerâmicas com memória de forma que existem “são uma espécie de curiosidade de laboratório”, porque se desfazem após alguns ciclos, diz Schuh. “Este é um passo na direção de fazer algo que pode operar de forma reproduzível e confiável muitas e muitas vezes em serviço.”
A equipe planeja continuar explorando o material, encontrando maneiras de produzi-lo em lotes maiores e formas mais complexas e testando sua capacidade de resistir a muitos ciclos de transformação.
O que o atraiu para este projeto em primeiro lugar, diz Schuh, é seu potencial para amplas aplicações. “Há coisas que fazemos com sistemas mecânicos complexos que têm muitas peças e montagens, e a ideia de que você pode substituir um pacote complicado de coisas por um único material que possui a funcionalidade incorporada em escala atômica – para mim, isso é atraente porque transforma coisas grandes e complicadas em coisas pequenas e simples. De certa forma, é como substituir válvulas por transistores.”
Embora seja difícil prever as áreas onde esse material encontrará seus primeiros usos práticos, Schuh diz que, por exemplo, “é muito difícil reduzir um pistão hidráulico. É difícil fazer isso em escala micro.” Mas agora, “a ideia de que você tem uma versão de estado sólido disso em escalas muito pequenas – sempre senti que há muitas aplicações para movimentos em microescala. Microrrobôs em lugares pequenos, válvulas de laboratório em um chip, muitas coisas pequenas que precisam de atuação podem se beneficiar de materiais inteligentes como esse.”
Esses pesquisadores “mostram como o conhecimento da ciência dos materiais, princípios de design de som e pensamento criativo podem ser combinados para descobrir materiais que seriam considerados impossíveis de encontrar de outra forma”, diz Raymundo Arroyave, professor de ciência e engenharia de materiais da Texas A&M University, que não foi associados a este trabalho. Este trabalho, diz ele, “é uma bela demonstração do poder do som ‘pensamento da ciência dos materiais’, fundamentado em princípios de design de materiais bem testados para demonstrar que as cerâmicas com memória de forma podem ter propriedades próximas a algumas das melhores de suas propriedades metálicas. homólogos.”
O trabalho foi apoiado pelo U.S. Army Research Office, em parte através do Institute for Soldier Nanotechnologies do MIT, e pela U.S. National Science Foundation.
Publicado em 07/10/2022 08h24
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