Um engenheiro de materiais da Universidade da Califórnia em San Diego está liderando o desenvolvimento de uma nova plataforma de pesquisa para estudar materiais de alto desempenho, em particular novos materiais que derretem acima de 4000 graus Celsius (C). O professor de nanoengenharia da UC San Diego, Kenneth Vecchio, está liderando o projeto, que é financiado por uma nova doação de US $ 800,000 do Escritório de Pesquisa Naval dos EUA (ONR), por meio do Programa de Instrumentação de Pesquisa da Universidade de Defesa (DURIP).

A plataforma de pesquisa será construída para abordar especificamente os desafios de estudar novos materiais que derretem em temperaturas superiores a 4000C, que é aproximadamente 80 por cento da temperatura da superfície do sol.

Esta plataforma se tornará um recurso nacional para engenheiros e outros pesquisadores que estão empurrando os limites da ciência dos materiais. Existem muitas aplicações industriais, de energia, espaciais e de defesa que se beneficiariam de novos materiais sólidos com desempenho confiável em temperaturas ultra-altas que quebram recordes. As aplicações incluem paredes de contenção para reatores de fusão, bordas de ataque de veículos aéreos que viajam cinco ou mais vezes a velocidade do som e novos métodos de usinagem de materiais industriais. (As pontas das ferramentas de corte, por exemplo, podem experimentar temperaturas acima de 3000C em altas velocidades de usinagem. Novos materiais para ferramentas de corte com temperaturas de fusão muito mais altas permitiriam uma fabricação mais rápida.)

Criar e caracterizar materiais que não derretem até serem expostos a temperaturas ultra-altas apresenta vários desafios. Além de criar materiais candidatos, os pesquisadores precisam ser capazes de caracterizar esses materiais para demonstrar o desempenho. Uma das principais métricas é a temperatura na qual os materiais derretem.

Ao trabalhar em temperaturas em torno de 4000C, nada é simples. Por exemplo, como você testa o ponto de fusão de novos materiais que derretem em temperaturas mais altas do que qualquer recipiente em que você possa tentar mantê-los? Como você aquece uma amostra a temperaturas na faixa de 4000C enquanto controla a temperatura com precisão? Ou como você determina exatamente quando uma amostra em tais condições extremas realmente derrete?

Essas são algumas das questões que Vecchio e sua equipe planejam resolver por meio de uma plataforma experimental que ele projetou e construirá graças a US $ 800 mil em novos fundos da concessão ONR DURIP.

Novos materiais que derretem a temperaturas superiores a 4000C

Como você aumenta o ponto de fusão de materiais que já derretem em temperaturas ultra-altas? Nos últimos cinco anos, Vecchio liderou um projeto da UC San Diego financiado pelo Programa de Iniciativas Universitárias Multidisciplinares (MURI) da ONR para se concentrar nisso.

A equipe está adotando uma nova abordagem para essa difícil tarefa. Para entender sua estratégia, primeiro você precisa saber que existem dois fenômenos físicos que determinam em grande parte a temperatura na qual um material sólido se transforma em líquido.

O primeiro fenômeno é a entalpia. A entalpia descreve a energia associada à manutenção de um material em sua forma sólida. Quanto maior a entalpia, mais forte será a ligação entre os dois átomos e mais alto será necessário aquecer o material para derretê-lo quebrando essas ligações.

O segundo fenômeno é a entropia. A entropia está associada à desordem e descreve a energia que leva os átomos a se separarem.  

“A fusão em um sólido ocorre quando a entropia se torna alta o suficiente para exceder a entalpia”, disse Vecchio.

O desenvolvimento de materiais em temperaturas ultra-altas geralmente se concentra na entalpia. Mas os pesquisadores parecem ter atingido os limites da abordagem da entalpia, pelo menos para materiais que não reagem com o oxigênio. O obstáculo é devido ao fato de que a entalpia de ligação entre os átomos é amplamente fixa. Isso significa que, uma vez que você encontre materiais com a maior entalpia de ligação, há pouco espaço para aumentar a temperatura de fusão desse material por meio da entalpia.  

Em sua busca por materiais que derretem em temperaturas cada vez mais altas, Vecchio e sua equipe da Escola de Engenharia da UC San Diego Jacobs se voltaram para outro fenômeno que controla a temperatura de derretimento: a entropia.

A maioria das pessoas tem uma vaga sensação de que a entropia tem algo a ver com caos ou desordem. Essa noção será útil para compreender esta nova abordagem para desenvolver materiais com temperaturas de fusão recordes.

“Um líquido tem um nível de entropia muito alto. Os átomos estão se movendo em um líquido, isso é entropia. Se pudermos fazer um sólido parecer um líquido, em termos de energia livre, haverá menos força motriz para passar do estado sólido para o líquido ”, disse Vecchio.

Fazer um sólido “parecer” com um líquido significa aumentar a entropia inerente do material quando ele é sólido. É isso que Vecchio se propôs a fazer. Sua estratégia é aumentar a desordem em novos materiais sólidos de alta temperatura, misturando um grande número de átomos diferentes.

“Nós criamos desordem por meio da mistura atômica”, disse Vecchio.  

Ao adotar essa abordagem, os pesquisadores estão fazendo seus materiais sólidos parecerem estruturalmente mais semelhantes ao estado atômico da forma líquida desse material. Isso reduz a força motriz para o sólido “querer” derreter, o que pode levar a um aumento da temperatura na qual ele derrete.

Por exemplo, o carboneto de silício (SiC) é um material bem conhecido com um ponto de fusão ultra-alto de 2730C. Mas seria útil ter materiais relacionados que derretem mesmo em altas temperaturas.

Seguindo a abordagem focada na entropia em pesquisas anteriores, Vecchio e seus colaboradores substituíram os átomos de Si por quantidades iguais de cinco metais diferentes, o que levou a novos materiais com temperaturas de fusão ainda mais altas. Esses novos materiais, chamados de carbonetos de alta entropia ou, mais amplamente, de cerâmica de alta entropia, são discutidos em um artigo de pesquisa publicado na revista Acta Materialia em 2019.

Vecchio e sua equipe também estão buscando outro uso da entropia. Mais entropia pode ser adicionada a um sistema de material sólido adicionando outras variações de ligação molecular e atômica que sozinhas não aumentariam a temperatura de fusão. Mas quando você adiciona um número suficiente deles ao sistema, a diversidade de elementos moleculares e cenários de ligação aumenta ainda mais a entropia, o que pode aumentar a temperatura na qual o sólido se derrete em um líquido.

Os pesquisadores devem ser capazes de validar experimentalmente a temperatura de fusão e outras propriedades para esses tipos de abordagens de desenvolvimento de materiais para levar a novos materiais úteis. É aí que entra a nova plataforma.

Plataforma de difração de raios X de alta temperatura

A nova plataforma de Difração de Raios-X de Alta Temperatura que está sendo financiada pela concessão ONR DURIP para a UC San Diego foi projetada para permitir o aquecimento de uma região de amostra a 4500C, enquanto mede sua temperatura com muita precisão e detecta o início da fusão.

Os componentes do sistema incluem: uma plataforma que permite medições em alta velocidade, chamada de plataforma de difração de raios X de alto brilho; um laser de alta potência para aquecer localmente uma pequena região de uma amostra de material; e um termômetro de alta tecnologia (um pirômetro) que registra temperaturas de até 4500C medindo o comprimento de onda da luz emitida pela fonte de calor.

“A integração dessas três ferramentas é um desafio de engenharia fascinante”, disse Vecchio.

A fim de superar o 'problema do recipiente', no qual um recipiente derrete antes da amostra experimental que deveria conter, Vecchio planeja usar os materiais da amostra como seus próprios recipientes.

“Vamos aquecer apenas uma pequena região circular no meio da amostra usando o laser”, disse ele.

O perímetro restante da amostra que não é exposto ao laser servirá como o recipiente que contém a amostra enquanto ela derrete do sólido ao líquido.

“Estou ansioso para poder compartilhar essa plataforma única com pesquisadores de todo o país”, disse Vecchio. “As pessoas têm tentado criar sistemas para medir as temperaturas de fusão desses tipos de materiais, mas seu maior problema científico é que não há um método para verificar a estrutura da amostra no início percebido da fusão. Meu projeto vai resolver esse problema ”, explicou Vecchio. “Ao construir nosso sistema de fusão dentro de uma plataforma de difração de raios-X, seremos capazes de saber exatamente a estrutura e o tipo de material presente no ponto de fusão e poderemos verificar completamente a fusão, pois tem uma Resultado de difração de raios-X em comparação com uma amostra sólida. ”

Ele estima que a instalação estará pronta e funcionando até o final de 2022.

A proposta ONR DURIP financiada é intitulada "Medições Termodinâmicas de Materiais de Temperatura Ultra Alta Estabilizados por Entropia." O Professor Kenneth Vecchio, da Universidade da Califórnia em San Diego em NanoEngenharia, é o Investigador Principal (PI) da bolsa. (Número do prêmio ONR: N00014-20-1-2872).

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