Novo titânio nanowinned permite fabricação sustentável

Cientistas do Berkeley Lab's Molecular Foundry usaram uma técnica de microscopia eletrônica chamada difração de retroespalhamento de elétrons (EBSD) para obter imagens da estrutura do titânio puro com uma estrutura nanotwinada. Cada cor representa uma orientação única dos grãos. As tiras finas revelam a estrutura nanotwinned produzida por meio de um processo chamado crio-forjamento. (Crédito: Andy Minor/Berkeley Lab)

– Por Julie Fornaciari

To itânio é forte e leve, ostentando a maior resistência à relação de peso de qualquer metal estrutural. Mas processá-lo mantendo um bom equilíbrio entre resistência e ductilidade – a capacidade de um metal ser extraído sem quebrar – é desafiador e caro. Como resultado, o titânio foi relegado a nichos de uso em indústrias selecionadas.

Agora, conforme relatado em um estudo recente publicado na revista Science, pesquisadores do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia (Berkeley Lab) descobriram um caminho novo e prático a seguir.

A equipe descobriu que poderia usar uma técnica chamada crio-forjamento para manipular titânio puro na escala de um bilionésimo de metro (um nanômetro) em temperaturas ultrabaixas para produzir titânio "nanotwinned" extra forte sem sacrificar sua ductilidade. .

A nova técnica, co-desenvolvida por pesquisadores do Berkeley Lab's Molecular Foundry, foi apresentada em uma reportagem de capa da edição de 17 de setembro da revista Science. (Cortesia da Ciência)

“Este estudo é a primeira vez que alguém produziu uma estrutura nanowinned pura em material a granel”, disse Andrew Minor, líder do projeto do estudo e diretor do Centro Nacional de Microscopia Eletrônica da 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 – minúsculas áreas cristalinas individuais de padrões atômicos repetidos que formam a estrutura interna do material. Os limites entre os grãos, onde o padrão muda, fortalecem os metais impedindo que defeitos conhecidos como deslocamentos se movam e enfraqueçam a estrutura do material. Imagine os grãos como ruas e os contornos dos grãos como semáforos que impedem a passagem de "carros" atômicos.

Uma maneira de fortalecer um metal é simplesmente encolher o tamanho de seus grãos para criar mais limites forjando-o - comprimindo o material em altas temperaturas ou mesmo em temperatura ambiente, rolando ou martelando. No entanto, esse tipo de processamento geralmente ocorre às custas da ductilidade - a estrutura interna é quebrada, tornando-a propensa a fraturas. As "ruas" de grãos menores e o aumento de "semáforos" levam a um acúmulo de tráfego atômico e quebram o material.

"A resistência de um material normalmente está correlacionada com o tamanho dos grãos internos - quanto menor, melhor", disse Minor, que também é professor de ciência e engenharia de materiais na UC Berkeley. "Mas alta resistência e ductilidade geralmente são propriedades mutuamente exclusivas."

Digite nanotwins. Nanotwins são um tipo específico de arranjo atômico onde os minúsculos limites na estrutura do cristal se alinham simetricamente, como imagens espelhadas um do outro. De volta às estradas atômicas, os semáforos nas "ruas" de grãos se transformam em lombadas com uma estrutura nanotwinada, tornando mais fácil para os átomos se moverem sem o acúmulo de estresse, mantendo a força aumentada.

Os materiais nanowinned não são novos. No entanto, fazê-los normalmente requer técnicas especializadas que podem ser caras. Essas técnicas funcionaram para um conjunto seleto de metais como o cobre e normalmente são usadas apenas para fazer filmes finos. Além disso, na maioria das vezes as propriedades do filme fino não se traduzem em materiais a granel.

Para criar nanotitânio, a equipe de pesquisa usou uma técnica simples, crio-forjamento – manipulando a estrutura do metal em temperaturas ultrabaixas. A técnica começa com um cubo de titânio muito puro (mais de 99,95%) colocado em nitrogênio líquido a 321 graus Fahrenheit negativos. 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 graus Fahrenheit para remover quaisquer defeitos estruturais que se formaram entre os limites gêmeos.