Self-healing: autorreparação de metais

Foi um resultado tão inesperado que pesquisadores do MIT, inicialmente pensaram se tratar de um erro: sob certas condições, colocando um pedaço quebrado de metal sob tensão – isto é, exercendo uma força que, teoricamente, o romperia – isso traz resultados inversos, fazendo com que a fenda se feche e suas bordas se fundam.

A surpreendente descoberta poderia levar a criação de materiais autocuráveis que reparassem danos incipientes antes que eles tivessem a chance de se espalhar. Os resultados foram publicados na revista Physical Review Letters em um trabalho do estudante de graduação Guoqiang Xu e do professor de ciência de materiais e engenharia Michael Demkowicz.

No início, a equipe de pesquisa não tinha ideia do por que isso estava acontecendo. Ao revisitarem suas conclusões, Demkowicz e Guoqiang Xu declararam não haver nada de errado com os resultados obtidos. A rachadura existente no metal estava realmente se autorreparando ao ser aplicada uma força suficiente para estendê-la. Restava, porém, elaborar explicações para tal comportamento do metal.

A resposta acabou por estar na forma como contornos de grão interagiam com fissuras na microestrutura cristalina de um metal – neste caso, o níquel, que é a base de “superligas” utilizadas em ambientes extremos, como em poços de petróleo em alto mar.

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Uma simulação de computador de uma liga de metal, mostrando as fronteiras entre grãos microcristalinos (linhas brancas formando hexágonos), e uma pequena rachadura ( barra escura horizontal logo à direita da parte inferior central), que corrige a si mesmo quando o metal é colocado sob estresse.

A maioria dos metais são compostos por pequenos grãos cristalinos, que lhes dão suas características de assinatura, como resistência e durabilidade. O ferro, por exemplo, é mais frágil do que um composto mais resistente ao stress, como o aço.

Ao criar um modelo de computador que estuda a  microestrutura dos metais e avaliar suas respostas à várias condições, “Descobrimos que há um mecanismo que pode, a princípio, unir fendas estreitas sob qualquer estresse aplicado”, diz Demkowicz.

Sob certas condições o estresse aplicado à estrutura faz com que os limites dos grãos de cristal migrem dentro de um metal sólido, ideia amplamente estudada na última década. Self-healing, no entanto, ocorre apenas em um determinado tipo de limite que se estende parcialmente em um grão, mas não por todo o caminho através dele. Isto cria um tipo de defeito  conhecido como uma “disclinação.” Esses defeitos têm campos de estresse intensos, o que “pode ​​ser tão forte, que realmente reverte o que uma carga aplicada faria”, diz o professor.

Tendo descoberto este mecanismo, os pesquisadores planejam estudar como projetar ligas metálicas cujas rachaduras iriam curar-se sob cargas típicas de aplicações específicas. Essas falhas – que derivam do acúmulo de rachaduras em nanoescala ao longo do tempo – resultam em situações que limitam a vida de uma grande quantidade de materiais, incluindo aqueles utilizados em aeronaves, poços de petróleo, e outras aplicações industriais críticas.

“Se descobríssemos como evitar esses nanocracks, ou como curá-los a medida que aparecessem”, Demkowicz diz, “este seria o tipo de coisa que usaríamos para melhorar a vida ou a segurança de um componente”. A utilização do mecanismo de autorreparação dos metais teria inúmeros campos de aplicação e revolucionaria os conhecimentos, hoje, existentes na área da metalurgia.

Fontes: TheWeek, TechnologyReview;

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