Tecnologia Científica

Nova técnica constrói metais superduros a partir de nanopartículas
Em um artigo publicado na revista Chem , os pesquisadores mostram um método para esmagar nanoclusters individuais de metal para formar pedaços sólidos em macro escala de metal sólido.
Por Kevin Stacey - 23/01/2021


Essa "moeda" de ouro foi feita de blocos de construção de nanopartículas, graças a uma nova técnica desenvolvida por pesquisadores da Brown University. A fabricação de metais a granel dessa maneira permite a precisão da microestrutura do metal, o que aprimora suas propriedades mecânicas. Crédito: Chen Lab / Brown University

Os metalúrgicos têm todos os tipos de maneiras de tornar um pedaço de metal mais duro. Eles podem dobrá-lo, torcê-lo, colocá-lo entre dois rolos ou martelá-lo. Esses métodos funcionam quebrando a estrutura de grão do metal - os domínios cristalinos microscópicos que formam um grande pedaço de metal. Os grãos menores tornam os metais mais duros.

Agora, um grupo de pesquisadores da Brown University encontrou uma maneira de personalizar estruturas de grãos metálicos de baixo para cima. Em um artigo publicado na revista Chem , os pesquisadores mostram um método para esmagar nanoclusters individuais de metal para formar pedaços sólidos em macro escala de metal sólido. Os testes mecânicos dos metais fabricados usando a técnica mostraram que eles eram até quatro vezes mais duros do que as estruturas de metal que ocorrem naturalmente.

"Martelamento e outros métodos de endurecimento são formas de cima para baixo de alterar a estrutura do grão , e é muito difícil controlar o tamanho do grão que você acaba obtendo", disse Ou Chen, professor assistente de química da Brown e autor correspondente da nova pesquisa . "O que fizemos foi criar blocos de construção de nanopartículas que se fundem quando você os espreme. Dessa forma, podemos ter tamanhos de grãos uniformes que podem ser ajustados com precisão para propriedades aprimoradas."

Para este estudo, os pesquisadores fizeram "moedas" em escala centimétrica usando nanopartículas de ouro, prata, paládio e outros metais. Itens deste tamanho podem ser úteis para fazer materiais de revestimento de alto desempenho, eletrodos ou geradores termoelétricos (dispositivos que convertem fluxos de calor em eletricidade). Mas os pesquisadores acreditam que o processo poderia ser facilmente ampliado para fazer revestimentos de metal superduros ou componentes industriais maiores.

A chave do processo, diz Chen, é o tratamento químico dado aos blocos de construção das nanopartículas. Nanopartículas de metal são normalmente cobertas por moléculas orgânicas chamadas ligantes, que geralmente evitam a formação de ligações metal-metal entre as partículas. Chen e sua equipe encontraram uma maneira de remover esses ligantes quimicamente, permitindo que os aglomerados se fundissem com apenas um pouco de pressão.

As moedas de metal feitas com a técnica eram substancialmente mais duras do que o metal padrão, mostrou a pesquisa. As moedas de ouro, por exemplo, eram duas a quatro vezes mais duras do que o normal. Outras propriedades como condução elétrica e refletância de luz eram virtualmente idênticas aos metais padrão, descobriram os pesquisadores.

Pesquisadores da Brown University demonstraram uma maneira de fazer metais a granel
a partir de blocos de construção de nanopartículas. Para um novo estudo, a equipe fez
"moedas" de metal a partir de nanopartículas de ouro, prata, paládio e outros metais.
Crédito: Chen lab / Brown University

As propriedades ópticas das moedas de ouro eram fascinantes, diz Chen, pois houve uma mudança dramática de cor quando as nanopartículas foram comprimidas em metal.
 
"Por causa do que é conhecido como efeito plasmônico, as nanopartículas de ouro são, na verdade, de cor preto-púrpura", disse Chen. "Mas quando aplicamos pressão, vemos esses aglomerados arroxeados de repente se transformarem em uma cor dourada brilhante. Essa é uma das maneiras pelas quais sabíamos que havíamos formado ouro em massa."

Em teoria, diz Chen, a técnica poderia ser usada para fazer qualquer tipo de metal. Na verdade, Chen e sua equipe mostraram que podiam fazer uma forma exótica de metal conhecida como vidro metálico . Os vidros metálicos são amorfos, o que significa que não têm a estrutura cristalina que se repete regularmente, como os metais normais. Isso dá origem a propriedades notáveis. Os vidros metálicos são moldados com mais facilidade do que os metais tradicionais, podem ser muito mais fortes e resistentes a rachaduras e exibem supercondutividade em baixas temperaturas.

"Fazer vidro metálico a partir de um único componente é notoriamente difícil de fazer, então a maioria dos vidros metálicos são ligas", disse Chen. "Mas fomos capazes de começar com nanopartículas de paládio amorfo e usar nossa técnica para fazer um vidro metálico de paládio."

Chen diz estar esperançoso de que a técnica um dia possa ser amplamente utilizada para produtos comerciais. O tratamento químico usado nos nanoclusters é bastante simples, e as pressões usadas para comprimi-los estão bem dentro da faixa do equipamento industrial padrão. Chen patenteou a técnica e espera continuar estudando-a.

"Achamos que há muito potencial aqui, tanto para a indústria quanto para a comunidade de pesquisa científica", disse Chen.

 

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