Metais superduros são criados a partir de nanopartículas

Redação do Site Inovação Tecnológica - 27/01/2021

Esta "moeda" de ouro é quatro vezes mais dura do que o ouro puro original.
[Imagem: Universidade Brown]

Como endurecer metais

Engenheiros e químicos da Universidade Brown, nos EUA, descobriram uma maneira de ajustar a estrutura dos grãos que formam um metal ou liga metálica, tornando o material pelo menos quatro vezes mais duro do que o metal original.

Se você gosta de metalurgia ou ferramentaria, deve conhecer várias técnicas para tornar um pedaço de metal mais duro. Antes de submetê-lo à têmpera e revenimento, os profissionais costumam pegar o metal e dobrá-lo, torcê-lo, colocá-lo entre dois rolos ou martelá-lo.

Todos esses métodos funcionam quebrando a estrutura de grãos que formam o metal - os domínios cristalinos microscópicos que formam um grande pedaço de metal. Quanto menores os grãos, mais duros se tornam os metais.

Yasutaka Nagaoka e seus colegas inverteram o processo: Em vez de partir de um pedaço grande de metal e tentar quebrar suas partes constituintes, reduzindo-as de tamanho, eles partiram de nanopartículas, que podem ser fabricadas nas dimensões e formatos desejados, e então construíram o metal de baixo para cima por compressão.

"O martelamento e outros métodos de endurecimento são todos modos de cima para baixo de alterar a estrutura do grão, e é muito difícil controlar o tamanho do grão ao qual você chega. O que fizemos foi criar blocos de construção de nanopartículas que se fundem quando você as comprime. Desta forma podemos ter tamanhos de grãos uniformes, que podem ser precisamente ajustados para obtermos propriedades aprimoradas," disse o professor Ou Chen, coordenador da equipe.

Fabricando metais de baixo para cima

Para demonstração da técnica, os pesquisadores fizeram "moedas" em escala centimétrica usando nanopartículas de ouro, prata, paládio e outros metais.

Itens desse tamanho podem ser úteis para fazer materiais de revestimento de alto desempenho, eletrodos ou geradores termoelétricos (dispositivos que convertem fluxos de calor em eletricidade). Mas os pesquisadores acreditam que o processo pode ser facilmente ampliado para fazer revestimentos de metal superduros ou componentes industriais maiores.

A chave do processo é o tratamento químico dado às nanopartículas, que se tornam os blocos básicos de construção das peças metálicas. Nanopartículas de metal são normalmente cobertas por moléculas orgânicas chamadas ligantes, que geralmente evitam a formação de ligações metal-metal entre elas. Nagaoka descobriu uma maneira de remover esses ligantes quimicamente, permitindo que os aglomerados se fundissem com apenas um pouco de pressão.

As moedas de metal feitas com a técnica são substancialmente mais duras do que o metal padrão - as moedas de ouro, por exemplo, são de duas a quatro vezes mais duras do que o ouro puro.

As propriedades ópticas do metal também se alteram. No caso do ouro, houve uma mudança dramática de cor quando as nanopartículas foram comprimidas.

"Por causa do que é conhecido como efeito plasmônico, as nanopartículas de ouro são, na verdade, de cor preto-púrpura," contou o professor Chen. "Mas quando aplicamos pressão, vemos esses aglomerados arroxeados de repente se transformarem em uma cor dourada brilhante. Essa é uma das maneiras pelas quais sabíamos que havíamos formado ouro sólido."

Além de vários metais, a equipe já usou a técnica para fabricar vidros metálicos.
[Imagem: Yasutaka Nagaoka et al. - 10.1016/j.chempr.2020.12.026]

Metais e vidros metálicos monocomponentes

Em tese, a técnica pode ser usada para fazer qualquer tipo de metal. Na verdade, a equipe já fez suas incursões em outras áreas, fabricando uma forma exótica de metal conhecida como vidro metálico.

Os vidros metálicos são amorfos, o que significa que não têm a estrutura cristalina que se repete regularmente, como nos metais normais. Isso dá origem a propriedades notáveis: Os vidros metálicos são moldados com mais facilidade do que os metais tradicionais, podem ser muito mais fortes e resistentes a rachaduras e exibem supercondutividade em baixas temperaturas.

"Fazer vidro metálico a partir de um único componente é notoriamente difícil, então a maioria dos vidros metálicos são ligas," disse Chen. "Mas fomos capazes de começar com nanopartículas de paládio amorfo e usar nossa técnica para fazer um vidro metálico de paládio. Acreditamos que há muito potencial aqui, tanto para a indústria quanto para a comunidade de pesquisa científica."

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