Liga metálica deformada e esticada por campo magnético

Redação do Site Inovação Tecnológica - 31/03/2011

Aglomerados em nanoescala que se formam naturalmente no interior de uma liga metálica podem permitir que seu formato se altere dramaticamente sob a ação de um campo magnético.
[Imagem: PRL]

Os cientistas estão sempre à procura de melhores maneiras de transformar uma forma de energia em outra.

E usar o magnetismo para mudar a forma e a resistência dos materiais parece ser um desafio que valha a pena.

Mais ainda se esse material for um metal, que possa ser esticado simplesmente acionando um campo magnético nas suas proximidades.

Materiais elásticos

Em um artigo na prestigiada Physical Review Letters, um grupo de físicos prevê que um material formado por regiões em nanoescala, regiões estas que possuam uma estrutura atômica diversa, poderá responder a um campo magnético alterando sua própria forma.

Esse material seria capaz de esticar-se até 100 vezes mais do que os materiais mais flexíveis atualmente disponíveis.

Essa família de materiais - cujos irmãos e primos poderiam responder a outros campos - poderá ser usada em dispositivos que detectem esses campos ou acionem movimentos mecânicos, funcionando por atuadores ou até mesmo como músculos artificiais.

Materiais transdutores

Os materiais transdutores tradicionais, tais como os piezoelétricos, que convertem as vibrações em sinais elétricos, funcionam no nível atômico.

Apertar e esticar um cristal piezoelétrico movimenta íons positivos e negativos dentro de cada célula cristalina, em diferentes direções, criando uma polarização elétrica que gera um sinal de tensão.

Captadores acústicos de guitarra e sistemas de imagens por ultra-som usam este efeito para detectar vibrações.

Esses materiais também apresentam o efeito inverso, convertendo campos elétricos em movimento mecânico.

Alguns materiais magnéticos podem desempenhar um truque similar, transformando campos magnéticos em movimento mecânico ou vice-versa - mas o efeito é geralmente pequeno.

Domínios magnéticos

Nos últimos dez anos, pesquisadores têm estudado materiais cujos rearranjos estruturais internos gerem respostas cada vez maiores.

O exemplo mais conhecido tem uma estrutura atômica onde a célula cristalina é, digamos, mais longa em uma dimensão do que nas outras duas.

Um cristal grande normalmente tem muitas regiões, ou domínios, cada um com uma orientação diferente do eixo longitudinal. Um campo magnético pode alterar ligeiramente a posição dos átomos e favorecer o crescimento dos domínios melhor alinhados com ele, em detrimento das regiões não-alinhadas.

Por exemplo, o campo pode expandir um domínio com seu eixo longitudinal alinhado ao longo do campo, empurrando a fronteira do domínio - chamada de parede de domínio - de modo a encolher o domínio vizinho.

O resultado dessa expansão do domínio seria que o material se esticaria ao longo da direção do campo magnético.

Estes materiais, contudo têm dois problemas, explica Armen Khachaturyan, da Universidade Rutgers, nos Estados Unidos.

Um deles é que uma força externa na direção oposta pode facilmente reverter a expansão e mover as paredes de domínio de volta, limitando a força que o material pode gerar em um dispositivo prático.

O outro é que, quando o movimento das paredes de domínio encontra resistência, a resposta do material depende da sua história anterior, o que é ruim para algumas aplicações.

Nanocompósitos

Para resolver estes problemas, Khachaturyan e seus colegas propõem incorporar partículas em escala nanométrica< formadas com a fase que muda de forma, dentro de uma matriz sólida sem distorção.

Esses nanocompósitos podem formar-se espontaneamente quando, por exemplo, uma liga de metal ou de cerâmica é aquecida e alguns dos componentes se aglomeram em minúsculos glóbulos com uma composição química diferente daquela do seu entorno.

Se as partículas forem pequenas o suficiente, cada uma conterá um único domínio e seu eixo longitudinal poderá ser facilmente alterado por um campo magnético externo, a fim de esticar o material.

A equipe calcula que, sob determinadas condições, este nanocompósito de duas fases poderia apresentar uma grande resposta, sem dependência de seu histórico, e poderia também fornecer uma grande força.

Eles sugerem que algumas experiências anteriores que pareceram um tanto desconcertantes podem significar que o efeito já tenha sido visto na prática, mas seu quadro teórico pode permitir uma pesquisa mais sistemática desses materiais.

"Sempre procuramos por materiais com magnetocontração gigante", diz David Laughlin, da Universidade Carnegie Mellon. Mas ele observa que o novo trabalho fornece uma teoria que pode ser aplicada também a outros tipos de domínios, como os campos elétricos e de estresse. "Você consegue uma quantidade maior de tensão exatamente ao longo de uma linha."

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