Uma colaboração nacional liderada por pesquisadores do Centro de Design de Materiais Autônomos da Universidade Duke está trabalhando para sintetizar materiais baratos e duros o suficiente para literalmente misturar duas peças de aço com pouco desgaste.

Financiada por uma doação de cinco anos no valor de US$ 7.5 milhões por meio da competição da Iniciativa de Pesquisa Universitária Multidisciplinar (MURI) do Departamento de Defesa, a equipe também desenvolverá um conjunto de ferramentas de materiais de IA capazes de projetar sob demanda materiais semelhantes com propriedades adaptadas para uma ampla gama de aplicações.

A classe dos chamados materiais de “alta entropia” obtém estabilidade aprimorada de uma mistura caótica de átomos, em vez de depender apenas da estrutura atômica ordenada dos materiais convencionais. Depois de demonstrar pela primeira vez esta abordagem com carbonetos em 2018, os investigadores irão agora procurar adicionar boretos às estruturas irregulares auto-organizadas para produzir alguns dos materiais mais duros alguma vez feitos.

O projeto MURI inclui pesquisadores da Universidade Estadual da Pensilvânia, da Universidade Estadual da Carolina do Norte, da Universidade de Ciência e Tecnologia do Missouri e da Universidade de Buffalo.

“Já desenvolvemos o maquinário computacional necessário para nos dizer quando esse fenômeno produzirá esses materiais estáveis ​​e superduros”, disse Stefano Curtarolo, professor de engenharia mecânica e ciência de materiais na Duke e líder do novo prêmio MURI, seu segundo prêmio. nos últimos oito anos. “Nosso objetivo agora é desenvolver os procedimentos de ‘cozimento’ necessários, bem como ferramentas de materiais de IA que possam automatizar a descoberta de novas receitas para atender a diferentes necessidades.”

Embora os materiais de alta entropia possam ser úteis para muitas aplicações, uma das prioridades no topo da lista do Departamento de Defesa é chamada de soldagem por fricção. Inventada no início da década de 1990, a técnica usa brocas para unir duas peças de metal sem derretê-las.

À medida que as brocas giram, elas aquecem e amolecem o metal, permitindo que o material circundante gire e se misture à medida que a máquina se move ao longo de uma linha. Como nenhum dos metais é aquecido até o ponto de fusão, a soldagem por fricção produz uma junta extremamente forte e durável, com poucos defeitos. A técnica pode ser usada em uma ampla variedade de materiais e até mesmo em vários tipos de metais ao mesmo tempo.

Mas luta com o aço.

Para que uma ponta de soldagem por fricção faça uma junção bem-sucedida entre duas peças de aço, ela deve ser incrivelmente difícil para evitar o desgaste muito rápido, termicamente estável para suportar altas temperaturas, quimicamente inerte para não poluir a solda e barata o suficiente para produzir em massa. O diamante é duro o suficiente para o trabalho, mas libera átomos de carbono durante o processo, tornando a solda quebradiça. O nitreto cúbico de boro policristalino – o material atual de escolha – desgasta-se muito rapidamente devido ao seu custo de produção.

“Se o material certo pudesse tornar a soldagem por fricção uma escolha viável para grandes projetos envolvendo aço, poderia revolucionar a construção de navios e outros equipamentos de defesa”, disse Curtarolo. “E tivemos a ideia do material perfeito para o trabalho.”

O material que Curtarolo e seus colegas têm em mente é uma combinação de carbono, boro, nitrogênio e cinco outros elementos metálicos baratos, todos estabilizados pela entropia caótica.

Quando os alunos aprendem sobre estruturas moleculares, são mostrados cristais como o sal, que se assemelha a um tabuleiro de xadrez 3-D. Esses materiais ganham estabilidade e força por meio de ligações atômicas regulares e ordenadas, onde os átomos se encaixam como peças de um quebra-cabeça.

Entretanto, imperfeições em uma estrutura cristalina podem muitas vezes adicionar resistência a um material. Se as fissuras começarem a se propagar ao longo de uma linha de ligações moleculares, por exemplo, um grupo de estruturas desalinhadas pode detê-las. O endurecimento de metais sólidos com a quantidade perfeita de desordem é conseguido através de um processo de aquecimento e têmpera denominado recozimento.

Materiais de alta entropia levam essa ideia para o próximo nível. Abandonando a dependência de estruturas cristalinas e ligações para sua estabilidade, esses materiais dependem de desordem em múltiplas escalas de comprimento para aumentar a estabilidade. Embora uma pilha de bolas de beisebol não resista sozinha, uma pilha de bolas de beisebol, sapatos, tacos, chapéus e luvas pode sustentar um jogador de beisebol em repouso.

Em 2018, Curtarolo, Cormac Toher, professor assistente de pesquisa de engenharia mecânica e ciência de materiais na Duke, e sua equipe mostraram que essa abordagem pode funcionar com carbonetos quando produziram um punhado de receitas que se mostraram extremamente duras e tolerantes ao calor. Eles também têm trabalhado para produzir materiais semelhantes à base de boro e já estão se aproximando da dureza do padrão da indústria. A chave para resolver o problema da soldagem por fricção, acredita Curtarolo, é combinar os dois em um labirinto interligado, semelhante ao Tetris, de carbonetos e boretos de alta entropia.

“Os carbonetos geralmente não se misturam com os boretos, mas se conseguirmos fazer com que formem grãos entrelaçados, poderemos fazer algo que é mais duro do que ambos”, disse Curtarolo. “Esse é o truque.”

No entanto, com uma longa lista de ingredientes potenciais e uma lista igualmente longa de métodos potenciais para os cozinhar, descobrir a combinação perfeita através de tentativa e erro estará fora de questão. Em vez disso, a equipe está recorrendo à modelagem computacional e ao aprendizado de máquina.

A equipe de Curtarolo já sabe modelar e prever a formação de carbonetos de alta entropia e está perto de descobrir boretos de alta entropia. Para obter ajuda nessa frente, Curtarolo recorre a William Fahrenholtz, ilustre professor de engenharia cerâmica na Missouri S&T e especialista em boretos e outros materiais de alta temperatura.

Com um controle mais firme sobre boretos de alta entropia, o grupo pode gerar grandes quantidades de dados sobre suas receitas potenciais e entregá-los a Eva Zurek, professora de química na Universidade de Buffalo, e especialista em química computacional e teórica, que desenvolverá IA algoritmos para se concentrar mais rapidamente nas misturas alvo. Somando-se a esses algoritmos, investigando como as regiões de compressão e tensão serão afetadas pelas diferentes propriedades dos carbonetos e boretos, estará Donald Brenner, chefe de departamento e distinto professor de ciência e engenharia de materiais na NC State.

Testar suas misturas exigirá equipamento especializado que possa pegar pós elementares, aquecê-los a vários milhares de graus sob altas pressões (sem derretê-los) por dias e depois deixá-los esfriar lentamente. A supervisão e caracterização da formação dessas estruturas será realizada pelos professores de ciência e engenharia de materiais da Penn State Jon-Paul Maria e Douglas Wolfe, este último também chefe do Departamento de Processamento de Metais, Cerâmica e Revestimentos da Penn State's Applied Laboratório de pesquisas.

No final das contas, Curtarolo e sua equipe esperam não apenas ter produzido um boreto de metal duro superduro e de alta entropia, capaz de soldar aço por fricção e mistura, mas também ter desenvolvido um sistema para projetar materiais semelhantes para atender a outras necessidades. também.

“Sabemos que as peças funcionam, basta juntá-las”, disse Curtarolo. “Assim que tivermos os boretos de alta entropia, bem como os carbonetos, poderemos juntá-los em um sanduíche superduro. Vai ser matador.

# # #