Tecnologia Científica
Trazendo a Metalurgia para o Século XXI
Cientistas do Caltech desenvolveram um método para criar objetos metálicos com formato e composição precisamente especificados, proporcionando-lhes controle sem precedentes sobre as misturas metálicas, ou ligas, que criam e as propriedades...
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Kimm Fesenmaier - 02/08/2025
A etapa final do HIAM remove o oxigênio, deixando uma liga de cobre-níquel predominantemente densa na configuração desejada, impressa em 3D. Aqui, foi selecionada uma estrutura em formato de favo de mel. Crédito: Thomas Tran/Caltech
Cientistas do Caltech desenvolveram um método para criar objetos metálicos com formato e composição precisamente especificados, proporcionando-lhes controle sem precedentes sobre as misturas metálicas, ou ligas, que criam e as propriedades aprimoradas que essas criações apresentarão. Deseja um stent biocompatível e mecanicamente robusto? Que tal componentes de satélite resistentes, porém leves, que possam operar no espaço por décadas? A nova técnica pode dizer aos cientistas exatamente qual combinação de metais produzirá o melhor produto. Além disso, oferece um caminho para a produção de ligas com propriedades benéficas determinadas por sua estrutura subjacente, como ligas de cobre-níquel surpreendentemente fortes.
"Se observarmos como a metalurgia tem sido feita há séculos, em linhas gerais, quase sempre começamos com um minério bruto, que é então tratado e refinado termicamente e/ou quimicamente para produzir o metal ou liga desejados. E, basicamente, as propriedades mecânicas dos metais produzidos dessa maneira são limitadas", afirma Julia R. Greer , Professora Ruben F. e Donna Mettler de Ciência dos Materiais, Mecânica e Engenharia Médica do Caltech e Diretora Executiva de Física Aplicada e Ciência dos Materiais do Caltech. "O que estamos mostrando é que é possível, de fato, ajustar a composição química e a microestrutura de materiais metálicos, aumentando substancialmente sua resiliência mecânica."
Greer e seus colegas descrevem o novo método em um artigo publicado online pelo periódico Small . O autor principal do artigo é Thomas T. Tran (PhD '25), e a segunda autora é Rebecca Gallivan (PhD '23), ex-integrante do laboratório de Greer e agora professora assistente de engenharia no Dartmouth College.
A nova técnica baseia-se em trabalhos anteriores do laboratório Greer, nos quais os cientistas demonstraram como usar uma forma de impressão 3D, ou manufatura aditiva, para criar estruturas metálicas complexas em microescala. Anteriormente, a técnica, chamada manufatura aditiva por infusão de hidrogel (HIAM), era usada para construir cuidadosamente estruturas a partir de um único tipo de metal. No novo trabalho, Tran descobriu uma maneira de infundir mais de um metal por vez, criando ligas de cobre-níquel contendo porcentagens personalizadas de cobre e níquel — diferenças que importam quando se trata das propriedades dos materiais.
O processo começa com a impressão 3D de um material de hidrogel orgânico, depositando a resina polimérica precisamente onde ela é necessária, camada por camada, para criar uma estrutura gelatinosa. Essa estrutura é então infundida com íons metálicos, despejando uma solução líquida de sais metálicos sobre a estrutura. Em seguida, em um processo chamado calcinação, os cientistas queimam o material, removendo todo o conteúdo orgânico e deixando para trás os metais. Como isso é feito na presença de oxigênio, o que resta é uma mistura de óxidos metálicos.
Em uma próxima etapa inovadora, chamada recozimento redutivo, o Tran aumenta a temperatura em um ambiente de hidrogênio, fazendo com que a maior parte do oxigênio se difunda de volta para fora do sólido; ele então reage com o hidrogênio para formar vapor de água. Isso deixa para trás uma estrutura metálica com o formato desejado, que é uma liga dos dois metais adicionados.
"A composição pode ser variada da maneira que você quiser, o que não era possível nos processos de metalurgia tradicionais", explica Greer. "Um dos nossos colegas descreveu este trabalho como o que trouxe a metalurgia para o século XXI."
Ao analisar a microestrutura, que inclui a orientação dos grãos de cristal individuais e os limites entre eles dentro das ligas que produziram, e ao testar mecanicamente os materiais, os cientistas conseguiram revelar mais sobre as ligas especiais feitas com a nova técnica.
"Isso estabelece as bases para pensar no design de ligas impressas em 3D de uma forma única em relação a outras técnicas de manufatura aditiva em microescala", diz Gallivan. "Observamos que o ambiente de processamento leva a microestruturas muito diferentes em comparação com outros métodos."
Utilizando um microscópio eletrônico de transmissão (MET) no Instituto de Pesquisa de Materiais da UC Irvine, os pesquisadores do Caltech conseguiram demonstrar que as ligas produzidas pelo método HIAM se formam de forma mais homogênea, resultando em maiores graus de simetria em toda a sua estrutura cristalina, explica Tran. A forma, o tamanho e a orientação dos grãos metálicos são influenciados pela transição entre o óxido e o metal durante o recozimento redutivo. Em temperaturas elevadas, os poros se formam à medida que o vapor d'água escapa. O crescimento dos grãos metálicos é retardado por esses poros e óxidos. O novo trabalho mostra que esse crescimento é modificado pelos tipos de óxidos presentes nesses metais impressos em 3D.
Como resultado, o novo artigo mostra que a resistência das ligas criadas por HIAM é determinada não apenas pelo tamanho dos grãos dentro dos metais — como se pensava anteriormente —, mas também por sua composição. Uma liga Cu12Ni88 com 12 átomos de cobre para cada 88 átomos de níquel, por exemplo, é quase quatro vezes mais resistente do que uma liga Cu59Ni41 que tem cobre e níquel na proporção de 59/41.
Os estudos de TEM também revelaram que o processo HIAM deixa essas ligas com minúsculas inclusões de óxido que contribuem para a resistência excepcional dos materiais. "Devido às formas complexas pelas quais o metal é formado durante esse processo, encontramos estruturas em nanoescala ricas em interfaces metal-óxido que contribuem para o endurecimento de nossas ligas em até quatro vezes", diz Tran.
O artigo intitula-se "Caracterização Microestrutural e Mecânica Multiescala de Ligas Binárias Cu-Ni Reduzidas Durante a Fabricação Aditiva Baseada em Infusão de Hidrogel (HIAM)". O trabalho foi apoiado pelo programa de Ciências Básicas de Energia do Departamento de Energia dos EUA e por uma bolsa de pós-graduação da Fundação Nacional de Ciências.
