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Pesquisadores do Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) usaram uma técnica chamada crio-forjamento para manipular o titânio puro em dimensões em nanoescala em temperaturas ultrabaixas para produzir titânio "nanotwinned" extra forte sem sacrificar a ductilidade.

"Este estudo é a primeira vez que alguém produziu uma estrutura nanowinned pura em material a granel", diz Andrew Minor, líder do projeto do estudo e diretor do National Center for Electron na Molecular Foundry, uma instalação de usuários de nanociência no Berkeley Lab. "Com titânio nanowinned, não temos mais que escolher entre resistência e ductilidade, mas podemos alcançar ambos."

As propriedades mecânicas dos metais dependem em parte de seus grãos – as áreas cristalinas individuais de padrões atômicos repetidos que formam a estrutura interna do material. Encolher o tamanho dos grãos aumenta a resistência de um material, mas às custas de outras qualidades como a ductilidade.

"A resistência de um material é normalmente correlacionada com o tamanho dos grãos internos - quanto menor, melhor", diz Minor, "mas alta resistência e ductilidade geralmente são propriedades mutuamente exclusivas".

Nanotwins são um arranjo atômico onde os limites da estrutura cristalina se alinham simetricamente como imagens espelhadas. Para criar nanotitânio, a equipe de pesquisa usou crio-forjamento.

A técnica começa com um cubo de titânio 99,95%+ puro colocado em nitrogênio líquido a menos 321° F. Enquanto o cubo está submerso, a compressão é aplicada a cada eixo do cubo. Nessas condições, a estrutura do material começa a formar limites nanotwin. O cubo é posteriormente aquecido a 750° F para remover quaisquer defeitos estruturais que se formaram entre os limites dos gêmeos.

Os pesquisadores descobriram que o nanotwinning dobrou a resistência do metal e aumentou sua ductilidade em 30% à temperatura ambiente. Em temperaturas superbaixas, a melhoria foi ainda mais drástica – o nanotitânio foi capaz de dobrar de comprimento antes de fraturar.