Os metais ficam mais macios quando são aquecidos, e é assim que os ferreiros podem transformar o ferro em formas complexas, aquecendo-o em brasa. E qualquer pessoa que compare um fio de cobre com um cabide de aço perceberá rapidamente que o cobre é muito mais flexível que o aço.

Mas os cientistas do MIT descobriram que quando o metal é atingido por um objeto que se move a uma velocidade superalta, acontece o oposto: quanto mais quente o metal, mais forte ele é. Nessas condições, que colocam pressão extrema sobre o metal, o cobre pode ser tão forte quanto o aço. A nova descoberta poderá levar a novas abordagens para projetar materiais para ambientes extremos, como escudos que protegem naves espaciais ou aeronaves hipersônicas, ou equipamentos para processos de fabricação de alta velocidade.

As descobertas são descritas em um artigo publicado hoje na revista Nature, por Ian Dowding, um estudante de pós-graduação do MIT, e Christopher Schuh, ex-chefe do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais do MIT, agora reitor de engenharia na Northwestern University e professor visitante no MIT. 

A nova descoberta, escrevem os autores, “é contra-intuitiva e está em desacordo com décadas de estudos em condições menos extremas”. Os resultados inesperados podem afetar uma variedade de aplicações porque as velocidades extremas envolvidas nesses impactos ocorrem rotineiramente em impactos de meteoritos em espaçonaves em órbita e em operações de usinagem de alta velocidade usadas na fabricação, jateamento de areia e alguns processos de fabricação aditiva (impressão 3D).

As experiências que os investigadores usaram para descobrir este efeito envolveram disparar pequenas partículas de safira, com apenas milionésimos de metro de diâmetro, contra folhas planas de metal. Impulsionadas por raios laser, as partículas atingiram altas velocidades, da ordem de algumas centenas de metros por segundo. Embora outros pesquisadores tenham ocasionalmente feito experimentos em velocidades igualmente altas, eles tenderam a usar impactadores maiores, na escala de centímetros ou maiores. Como estes impactos maiores foram dominados pelos efeitos do choque do impacto, não houve forma de separar os efeitos mecânicos e térmicos.

As minúsculas partículas do novo estudo não criam uma onda de pressão significativa quando atingem o alvo. Mas foi necessária uma década de investigação no MIT para desenvolver métodos de propulsão de tais partículas microscópicas a velocidades tão elevadas. “Aproveitamos isso”, diz Schuh, juntamente com outras novas técnicas para observar o próprio impacto em alta velocidade.

A equipe usou câmeras de altíssima velocidade “para observar as partículas conforme elas entram e voam para longe”, diz ele. À medida que as partículas ricocheteiam na superfície, a diferença entre as velocidades de entrada e saída “informa quanta energia foi depositada” no alvo, o que é um indicador da resistência da superfície.

As minúsculas partículas usadas eram feitas de alumina, ou safira, e são “muito duras”, diz Dowding. Com 10 a 20 mícrons (milionésimos de metro) de diâmetro, eles têm entre um décimo e um quinto da espessura de um fio de cabelo humano. Quando a plataforma de lançamento atrás dessas partículas é atingida por um feixe de laser, parte do material vaporiza, criando um jato de vapor que impulsiona a partícula na direção oposta.

Os pesquisadores dispararam as partículas em amostras de cobre, titânio e ouro, e esperam que seus resultados também se apliquem a outros metais. Eles dizem que seus dados fornecem a primeira evidência experimental direta desse efeito térmico anômalo de aumento de resistência com maior calor, embora indícios de tal efeito já tenham sido relatados antes.

O efeito surpreendente parece resultar da forma como os arranjos ordenados de átomos que compõem a estrutura cristalina dos metais se movem sob diferentes condições, de acordo com a análise dos pesquisadores. Eles mostram que existem três efeitos separados que governam como o metal se deforma sob tensão, e embora dois deles sigam a trajetória prevista de aumento da deformação em temperaturas mais altas, é o terceiro efeito, chamado reforço de arrasto, que reverte seu efeito quando a taxa de deformação atravessa um certo limite.

Além deste ponto de cruzamento, a temperatura mais elevada aumenta a atividade dos fônons – ondas de som ou calor – dentro do material, e esses fônons interagem com deslocamentos na rede cristalina de uma forma que limita sua capacidade de escorregar e deformar. O efeito aumenta com o aumento da velocidade e da temperatura do impacto, diz Dowding, de modo que “quanto mais rápido você vai, menos os deslocamentos são capazes de responder”.

É claro que, em algum momento, o aumento da temperatura começará a derreter o metal e, nesse ponto, o efeito será revertido novamente e levará ao amolecimento. “Haverá um limite” para este efeito de fortalecimento, diz Dowding, “mas não sabemos qual é”.

As descobertas podem levar a diferentes escolhas de materiais ao projetar dispositivos que podem enfrentar tensões tão extremas, diz Schuh. Por exemplo, metais que normalmente podem ser muito mais fracos, mas que são menos dispendiosos ou mais fáceis de processar, podem ser úteis em situações onde ninguém teria pensado em usá-los antes.

As condições extremas que os investigadores estudaram não se limitam às naves espaciais ou aos métodos extremos de fabrico. “Se você estiver pilotando um helicóptero durante uma tempestade de areia, muitas dessas partículas de areia atingirão altas velocidades ao atingirem as pás”, diz Dowding, e em condições desérticas elas podem atingir altas temperaturas onde esses efeitos de endurecimento entram em ação.

As técnicas que os pesquisadores usaram para descobrir esse fenômeno poderiam ser aplicadas a uma variedade de outros materiais e situações, incluindo outros metais e ligas. Projetar materiais para serem usados em condições extremas simplesmente extrapolando propriedades conhecidas em condições menos extremas poderia levar a expectativas seriamente equivocadas sobre como os materiais se comportarão sob tensões extremas, dizem eles.

A pesquisa foi apoiada pelo Departamento de Energia dos EUA.