Cermica explode, pula e derrete, at virar cermica deformvel

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Materiais Avanados

Redação do Site Inovação Tecnológica – 26/11/2021

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A cermica simplesmente explode devido s tenses internas quando o material tenta mudar de fase mas os cristais no se ajustam.
[Imagem: Kiel University]

Cermica deformvel

Uma equipe de pesquisadores das universidades de Minnesota (EUA) e Kiel (Alemanha) descobriu um caminho para fabricar materiais cermicos que mudam de forma.

Se puder ser escalonada para escala industrial, esta tcnica pode melhorar quase tudo, dos dispositivos mdicos at os eletrnicos.

Quando se fala em cermica as pessoas costumam se lembrar de copos e pratos caindo e se partindo em mil pedaos. Ela comea como um barro totalmente malevel, mas, para que o produto fique utilizvel, a cermica queimada em um forno, transformando-se um material muito duro, mas muito quebradio.

Acontece que as cermicas esto presentes no nosso dia a dia em uma escala que vai muito alm das nossas louas e azulejos. Para comear, elas so amplamente utilizadas na eletrnica e na rea de energia porque, dependendo de sua composio, as cermicas podem ser semicondutoras, supercondutoras, ferroeltricas ou isolantes. Velas de ignio, fibras pticas, implantes mdicos, escudos de proteo termal de naves espaciais, sensores qumicos, esquis e uma infinidade de outros exemplos mostram a versatilidade desses materiais.

No outro extremo do espectro de materiais esto as ligas com memria de forma, os materiais mais deformveis que se conhece. Essa tremenda deformabilidade excelente para stents, tendo revolucionado o tratamento mdico dos problemas cardiovasculares.

A origem desse comportamento de mudana de forma uma transformao de fase de slido para slido. Diferente de pegar uma pea de metal, derret-la e fabricar outra pea diferente (cristalizao-fuso-recristalizao), as transies slido-slido cristalinas ocorrem apenas no estado slido. Ao alterar a temperatura (ou presso), um slido cristalino com memria de forma pode ser transformado em outro slido cristalino sem passar pela fase lquida.

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Ao chegar temperatura que fora a mudana de fase slido-slido a cermica no se ajusta e salta.
[Imagem: Kiel University]

Como a cincia pode ser divertida

O que Hanlin Gu e seus colegas queriam fazer era dar um jeito de mesclar os comportamentos da cermica e das ligas de memria de forma, o que pode revolucionar no apenas os usos atuais dos materiais cermicos, mas criar toda uma nova indstria com objetos s vistos na fico cientfica.

Mas, quando comearam a juntar os dois materiais, algumas coisas muitas estranhas comearam a acontecer, mostrando o quanto fazer cincia pode ser divertido.

Os pesquisadores primeiro tentaram uma receita que funcionou para a descoberta de novos metais com memria de forma, o que envolve ir alterando a quantidade de cada ingrediente para obter um ajuste delicado das distncias entre os tomos, de modo que as duas fases slidas se encaixem bem.

O resultado no foi o esperado. Numa determinada composio, o material resultante da mistura simplesmente explode to logo passa pela variao de temperatura que deveria faz-lo mudar de forma. No h nada de intrinsecamente explosivo na receita, mas a mudana de fase cria tamanho estresse no material que ele inteiro vira uma pequena bomba e se autodestri.

Conforme foi mudando a receita, a equipe conseguiu eliminar a exploso, mas a amostra passou a saltar no ar como se fosse uma bola de borracha – s que ela salta sem precisar que ningum sequer toque nela.

Mexendo um pouco mais, eles conseguiram fazer com que o material parasse de saltar, mas ento o pedao duro de cermica passou a se esfarelar totalmente, como se fosse um castelo de areia ao sol.

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Amostra da cermica se esfarelando (em cima) e da transio de fase slido-slido que funcionou (embaixo).
[Imagem: Hanlin Gu et al. – 10.1038/s41586-021-03975-5]

Cermica com memria de forma

Finalmente, depois de inmeras receitas, a equipe encontrou uma composio que sofre uma transformao reversvel, passando facilmente para frente e para trs entre as fases, um comportamento muito parecido com o de um metal com memria de forma.

Embora ainda no estejam totalmente satisfeitos com o resultado obtido, os pesquisadores garantem que, matematicamente, as condies sob as quais ocorre a transformao reversvel slido-slido podem ser amplamente aplicadas, fornecendo um caminho para se obter a paradoxal cermica com memria de forma com uma versatilidade que a torne to til quanto seus equivalentes metlicos.

“Ficamos simplesmente maravilhados com os nossos resultados. A cermica com memria de forma seria um tipo completamente novo de material funcional,” disse o professor Richard James, coordenador da equipe. “H uma grande necessidade de atuadores com memria de forma que possam funcionar em altas temperaturas ou em ambientes corrosivos. Mas o que mais nos entusiasma a perspectiva de novas cermicas ferroeltricas. Nestes materiais, a transformao de fase pode ser utilizada para gerar eletricidade a partir de pequenas diferenas de temperatura.”

Bibliografia:

Artigo: Exploding and weeping ceramics
Autores: Hanlin Gu, Jascha Rohmer, Justin Jetter, Andriy Lotnyk, Lorenz Kienle, Eckhard Quandt, Richard D. James
Revista: Nature
Vol.: 599, pages 416-420
DOI: 10.1038/s41586-021-03975-5

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