Shechtman provou que este novo tipo de cristal existia, revolucionando a ciência da cristalografia e ganhando o Prémio Nobel da Química em 2011. Agora provou que estes podem tornar o alumínio mais forte
Andrew Iams viu algo estranho enquanto olhava através do seu microscópio eletrónico. Estava a examinar uma lasca de uma nova liga de alumínio à escala atómica, à procura da chave para a sua resistência, quando reparou que os átomos estavam dispostos num padrão extremamente invulgar. “Foi aí que comecei a ficar entusiasmado”, disse Iams, um engenheiro de investigação de materiais, ‘porque pensei que podia estar a olhar para um quasicristal’.
Não só encontrou quasicristais nesta liga de alumínio, como ele e os seus colegas do Instituto Nacional de Normas e Tecnologia (NIST) descobriram que estes quasicristais também a tornam mais forte. Publicaram as suas descobertas no Journal of Alloys and Compounds.
A liga formou-se sob as condições extremas da impressão 3D de metal, uma nova forma de fabricar peças metálicas. A compreensão deste alumínio à escala atómica permitirá toda uma nova categoria de peças impressas em 3D, como componentes de aviões, permutadores de calor e chassis de automóveis. Abrirá também a porta à investigação de novas ligas de alumínio que utilizem quasicristais para obter resistência.
O que são quasicristais?
São como os cristais normais, mas com algumas diferenças importantes.
Um cristal tradicional é qualquer sólido feito de átomos ou moléculas em padrões repetitivos. O sal de mesa é um cristal comum, por exemplo. Os átomos do sal ligam-se para formar cubos, e esses cubos microscópicos ligam-se para formar cubos maiores, suficientemente grandes para serem vistos a olho nu.
Existem apenas 230 formas possíveis de os átomos formarem padrões cristalinos repetitivos. Os quasicristais não se enquadram em nenhuma delas. A sua forma única permite-lhes formar um padrão que preenche o espaço, mas nunca se repete.
Dan Shechtman, um cientista de materiais do Instituto de Tecnologia Technion-Israel, descobriu os quasicristais quando estava em licença sabática no NIST, na década de 1980. Na altura, muitos cientistas pensaram que a sua investigação tinha falhas porque as novas formas de cristal que descobriu não eram possíveis de acordo com as regras normais dos cristais. Mas através de uma investigação cuidadosa, Shechtman provou sem margem para dúvidas que este novo tipo de cristal existia, revolucionando a ciência da cristalografia e ganhando o Prémio Nobel da Química em 2011.
Trabalhando no mesmo edifício que Shechtman, décadas mais tarde, Andrew Iams encontrou os seus próprios quasicristais em alumínio impresso em 3D.
Como é que a impressão 3D de metal funciona?
Existem algumas formas diferentes de imprimir metais em 3D, mas a mais comum é a chamada “fusão em leito de pó”. Funciona da seguinte forma: O pó metálico é espalhado uniformemente numa camada fina. Depois, um laser potente move-se sobre o pó, fundindo-o. Depois de terminada a primeira camada, uma nova camada de pó é espalhada por cima e o processo repete-se. Uma camada de cada vez, o laser funde o pó numa forma sólida.
A impressão 3D cria formas que seriam impossíveis com qualquer outro método. Por exemplo, em 2015, a GE concebeu bocais de combustível para motores de avião que só podiam ser fabricados com impressão 3D em metal. O novo bocal representou uma enorme melhoria. A sua forma complexa saiu da impressora como uma peça única e leve. Em contraste, a versão anterior tinha de ser montada a partir de 20 peças separadas e era 25% mais pesada. Até à data, a GE imprimiu dezenas de milhares destes bicos de combustível, mostrando que a impressão 3D em metal pode ser bem sucedida em termos comerciais.
Uma das limitações da impressão 3D de metal é o facto de só funcionar com uma série de metais. “As ligas de alumínio de alta resistência são quase impossíveis de imprimir”, afirma o físico Fan Zhang, do NIST, coautor do artigo. “Tendem a desenvolver fissuras, o que as torna inutilizáveis”.
Porque é que é difícil imprimir alumínio?
O alumínio normal derrete a temperaturas de cerca de 700 graus C. Os lasers de uma impressora 3D devem elevar a temperatura muito, muito mais alto: além do ponto de ebulição do metal, 2,470 graus C. Isso muda muitas das propriedades do metal, principalmente porque o alumínio aquece e esfria mais rápido do que outros metais.
Em 2017, uma equipa dos Laboratórios HRL, com sede na Califórnia, e da UC Santa Barbara descobriu uma liga de alumínio de alta resistência que podia ser impressa em 3D. Descobriram que a adição de zircónio ao pó de alumínio impedia que as peças impressas em 3D rachassem, resultando numa liga forte.
Os investigadores do NIST propuseram-se compreender esta nova liga de alumínio-zircónio impressa em 3D, disponível no mercado, à escala atómica. “Para confiarmos neste novo metal o suficiente para o utilizarmos em componentes críticos, como peças de aviões militares, precisamos de um conhecimento profundo da forma como os átomos se encaixam”, afirmou Zhang.
A equipa do NIST queria saber o que tornava este metal tão forte. Parte da resposta, afinal, eram os quasicristais.
Como é que os quasicristais tornam o alumínio mais forte?
Nos metais, os cristais perfeitos são fracos. Os padrões regulares dos cristais perfeitos facilitam o deslizamento dos átomos uns sobre os outros. Quando isso acontece, o metal dobra-se, estica-se ou parte-se. Os quasicristais quebram o padrão regular dos cristais de alumínio, causando defeitos que tornam o metal mais forte.
A ciência da medição por trás da identificação de um quasicristal
Quando Iams olhou para os cristais do ângulo certo, viu que tinham uma simetria rotacional quíntupla. Isto significa que existem cinco formas de rodar o cristal em torno de um eixo de modo a que tenha o mesmo aspeto.
“A simetria quíntupla é muito rara. Esse foi o sinal revelador de que poderíamos ter um quasicristal”, disse Iams. “Mas não nos podíamos convencer completamente até fazermos as medições corretas.” Para confirmar que tinham um quasicristal, Iams teve de rodar cuidadosamente o cristal ao microscópio e mostrar que também tinha simetria tripla e simetria dupla a partir de dois ângulos diferentes.
“Agora que temos esta descoberta, penso que abrirá uma nova abordagem à conceção de ligas”, diz Zhang. “Mostrámos que os quasicristais podem tornar o alumínio mais forte. Agora as pessoas podem tentar criá-los intencionalmente em futuras ligas”.
Veja artigo original aqui com vídeos
