Há décadas, sabe-se da existência de padrões químicos sutis em ligas metálicas, mas os pesquisadores acreditavam que eram insignificantes demais para fazer diferença — ou que eram apagados durante a fabricação. No entanto, estudos recentes mostraram que, em ambientes laboratoriais, esses padrões podem alterar as propriedades de um metal, incluindo sua resistência mecânica, durabilidade, capacidade térmica, tolerância à radiação e muito mais.

Agora, pesquisadores do MIT descobriram que esses padrões químicos também existem em metais fabricados convencionalmente. A descoberta surpreendente revelou um novo fenômeno físico que explica os padrões persistentes.

Em um artigo publicado hoje na Nature Communications , os pesquisadores descrevem como rastrearam os padrões e descobriram a física que os explica. Os autores também desenvolveram um modelo simples para prever padrões químicos em metais e mostram como engenheiros podem usar o modelo para ajustar o efeito desses padrões nas propriedades metálicas, para uso em indústrias aeroespaciais, semicondutores, reatores nucleares e muito mais.

“A conclusão é: nunca é possível randomizar completamente os átomos de um metal. Não importa como você o processe”, diz Rodrigo Freitas, professor assistente do TDK no Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais. “Este é o primeiro artigo que mostra esses estados de não equilíbrio que são retidos no metal. No momento, essa ordem química não é algo que estejamos controlando ou observando ao fabricar metais.”

Para Freitas, um pesquisador em início de carreira, as descobertas justificam a exploração de um campo saturado que, segundo ele, poucos acreditavam que levaria a resultados únicos ou de amplo impacto. Ele credita o trabalho ao Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea dos EUA, que apoiou o trabalho por meio do Programa de Jovens Pesquisadores. Ele também credita o esforço colaborativo que possibilitou o artigo, que conta com três alunos de doutorado do MIT como coautores: Mahmudul Islam, Yifan Cao e Killian Sheriff.

“Havia a dúvida se eu deveria mesmo abordar esse problema específico, já que as pessoas já trabalhavam nele há muito tempo”, diz Freitas. “Mas quanto mais eu aprendia sobre o assunto, mais percebia que os pesquisadores estavam pensando nisso em cenários idealizados de laboratório. Queríamos realizar simulações o mais realistas possível para reproduzir esses processos de fabricação com alta fidelidade. Minha parte favorita deste projeto é como as descobertas são pouco intuitivas. O fato de não ser possível misturar algo completamente, as pessoas não previram isso.”

A equipe de pesquisa de Freitas partiu de uma questão prática: qual a velocidade de mistura dos elementos químicos durante o processamento do metal? A sabedoria convencional afirma que existe um ponto em que a composição química dos metais se torna completamente uniforme devido à mistura durante a fabricação. Ao descobrir esse ponto, os pesquisadores pensaram que poderiam desenvolver uma maneira simples de projetar ligas com diferentes níveis de ordem atômica, também conhecida como ordem de curto alcance.

Os pesquisadores usaram técnicas de aprendizado de máquina para rastrear milhões de átomos enquanto eles se moviam e se reorganizavam em condições que imitavam o processamento de metais.

Os pesquisadores encontraram um obstáculo durante o processo de mistura: as ligas nunca atingiram um estado totalmente aleatório. Isso foi uma surpresa, pois nenhum mecanismo físico conhecido conseguia explicar o resultado.

“Isso apontou para uma nova descoberta da física nos metais”, escrevem os pesquisadores no artigo. “Foi um daqueles casos em que a pesquisa aplicada levou a uma descoberta fundamental.”

Para desvendar a nova física, os pesquisadores desenvolveram ferramentas computacionais, incluindo modelos de aprendizado de máquina de alta fidelidade para capturar interações atômicas, juntamente com novos métodos estatísticos que quantificam como a ordem química muda ao longo do tempo. Em seguida, aplicaram essas ferramentas em simulações de dinâmica molecular em larga escala para rastrear como os átomos se reorganizam durante o processamento.

Os pesquisadores encontraram alguns arranjos químicos padrão nos metais processados, mas em temperaturas mais altas do que o normalmente esperado. Mais surpreendente ainda, eles encontraram padrões químicos completamente novos, nunca vistos fora dos processos de fabricação. Esta foi a primeira vez que tais padrões foram observados. Os pesquisadores se referiram a esses padrões como "estados distantes do equilíbrio".

Os pesquisadores também construíram um modelo simples que reproduziu as principais características das simulações. O modelo explica como os padrões químicos surgem de defeitos conhecidos como discordâncias, que são como rabiscos tridimensionais dentro de um metal. À medida que o metal é deformado, esses rabiscos se deformam, embaralhando os átomos próximos ao longo do caminho. Anteriormente, os pesquisadores acreditavam que o embaralhamento apagava completamente a ordem nos metais, mas descobriram que as discordâncias favorecem algumas trocas atômicas em detrimento de outras, resultando não em aleatoriedade, mas em padrões sutis que explicam suas descobertas.

“Esses defeitos têm preferências químicas que orientam como se movem”, diz Freitas. “Eles buscam caminhos de baixa energia, então, dada a escolha entre quebrar ligações químicas, tendem a quebrar as ligações mais fracas, e isso não é completamente aleatório. Isso é muito interessante porque é um estado de desequilíbrio: não é algo que você veria ocorrendo naturalmente em materiais. É da mesma forma que nossos corpos vivem em desequilíbrio. A temperatura externa é sempre mais quente ou mais fria do que a do nosso corpo, e estamos mantendo esse equilíbrio de estado estacionário para nos mantermos vivos. É por isso que esses estados existem nos metais: o equilíbrio entre um impulso interno em direção à desordem mais essa tendência ordenadora de quebrar certas ligações que são sempre mais fracas do que outras.”

Os pesquisadores agora estão explorando como esses padrões químicos se desenvolvem em uma ampla gama de condições de fabricação. O resultado é um mapa que vincula diversas etapas do processamento do metal a diferentes padrões químicos no metal.

Até o momento, essa ordem química e as propriedades que ela ajusta têm sido amplamente consideradas um assunto acadêmico. Com este mapa, os pesquisadores esperam que os engenheiros possam começar a pensar nesses padrões como alavancas no projeto que podem ser acionadas durante a produção para obter novas propriedades.

“Pesquisadores têm estudado como esses arranjos atômicos alteram as propriedades metálicas — um dos principais é a catálise”, diz Freitas sobre o processo que impulsiona as reações químicas. “A eletroquímica ocorre na superfície do metal e é muito sensível aos arranjos atômicos locais. E há outras propriedades que você não imaginaria que seriam influenciadas por esses fatores. Danos por radiação são outro grande problema. Isso afeta o desempenho desses materiais em reatores nucleares.”

Pesquisadores já disseram a Freitas que o artigo pode ajudar a explicar outras descobertas surpreendentes sobre propriedades metálicas, e ele está animado para que o campo passe da pesquisa fundamental sobre ordem química para um trabalho mais aplicado.

“Pense em áreas onde são necessárias ligas altamente otimizadas, como a indústria aeroespacial”, diz Freitas. “Eles se preocupam com composições muito específicas. A manufatura avançada agora permite combinar metais que normalmente não se misturariam por deformação. Entender como os átomos realmente se embaralham e se misturam nesses processos é crucial, pois é a chave para ganhar resistência e, ao mesmo tempo, manter a baixa densidade. Então, isso pode ser um grande negócio para eles.”

Este trabalho foi apoiado, em parte, pelo Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea dos EUA, pela MathWorks e pelo Programa MIT-Portugal.