Pesquisa revela a estrutura atômica das cerâmicas avançadas

Redação do Site Inovação Tecnológica - 19/01/2005

Cerâmicas avançadas já estão presentes em várias aplicações de ponta graças às suas características incomparáveis: elas suportam temperaturas que fundiriam o aço e resistem à maioria dos corrosivos químicos. Mas elas ainda têm um problema que impede sua disseminação por praticamente todos os ramos industriais: elas são quebradiças.

A verdade é que até hoje ninguém sabe exatamente o papel que desempenha cada um dos elementos utilizados para formar essas cerâmicas de alta tecnologia. Mas agora uma equipe de cientistas do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley, Estados Unidos, começou a desvendar o mistério.

A maioria das cerâmicas avançadas possui como um de seus componentes uma família de compostos conhecida como óxidos de terras raras. Esses óxidos são adicionados às cerâmicas para lhes dar maior dureza. O que os cientistas descobriram foi como os átomos de terras raras se alojam no material cerâmico e como sua presença afeta a dureza da cerâmica final.

Utilizando um microscópio eletrônico de última geração, os cientistas conseguiram mapear cada átomo individual de terras raras presente em uma amostra de nitreto de silício (Si₃N₄), uma cerâmica de altíssima resistência ao desbaste.

"Nossa descoberta está no cerne do entendimento da origem das propriedades mecânicas das cerâmicas avançadas e deve tornar possível no futuro fazer configurações precisas [do material cerâmico] que irão melhorar o desempenho desses materiais em uma ampla gama de aplicações," afirmou Robert Ritchie, um dos cientistas da equipe.

Embora sejam um dos materiais mais antigos conhecidos pela humanidade, as cerâmicas de última geração nada têm a ver com aquelas utilizadas para se fazer jarros e outros utensílios domésticos. As cerâmicas avançadas são produzidas a partir de pós de complexos compostos químicos e sua produção exige um controle cuidadoso e preciso em cada etapa da produção.

A possibilidade de um controle em nível atômico desses compostos poderá abrir uma nova fronteira para a aplicação das cerâmicas avançadas. O nitreto de silício, por exemplo, que foi utilizado na experiência, é um dos materiais mais promissores para a construção das novas gerações de turbinas a gás.

Esses gigantescos motores, projetados para movimentar usinas geradoras de energia elétrica, deverão queimar combustível a temperaturas acima de 1.200° C, bem acima da tolerância dos metais, inclusive das super ligas metálicas de última geração, feitas à base de níquel. Operando a essas temperaturas, as novas turbinas deverão atingir uma eficiência termal muito superior às termelétricas atuais, emitindo uma quantidade de gases poluentes muito menor.

Segundo Alexander Ziegler, outro membro da equipe, "Para melhorar a dureza do nitreto de silício, freqüentemente é necessário fabricar uma película em nanoescala nas bordas dos grânulos da cerâmica, que se quebra quando a cerâmica começa a fraturar. Isso permite a formação de pontes entre os grânulos que se espalham ao longo da fratura, tornando mais difícil que ela se propague."

Entender a natureza e as propriedades dessas películas intergranulares é crucial para melhorar a dureza das cerâmicas. Entretanto, até agora, não se tinha maiores conhecimentos sobre a composição química, a estrutura atômica e as características das ligações dessas películas.

"Nós fomos capazes de determinar a localização exata de cada átomo de terras raras e ver como esses átomos se ligam à interface entre a fase intergranular e a matriz de grânulos da cerâmica," afirmou Ritchie.

O trabalho, que foi publicado na Revista Science, foi assinado, além de Ziegler e Ritchie, por Christian Kisielowski, Nigel Browning, Juan Idrobo e Michael Cinibulk.

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