Padrões Químicos em Processos Industriais

Pesquisadores do MIT agora descobriram que esses arranjos químicos sutis também persistem em metais fabricados por meio de processos industriais padrão. A descoberta inesperada aponta para um novo princípio físico que explica por que esses padrões permanecem.

Em um estudo publicado na Nature Communications, a equipe do MIT detalhou como identificaram e analisaram os padrões, revelando a física que os impulsiona. Eles também desenvolveram um modelo que prevê como esses padrões se formam, permitindo que engenheiros potencialmente os ajustem para aprimorar as propriedades de um metal para uso em aplicações aeroespaciais, semicondutores ou nucleares.

“A conclusão é: você nunca pode aleatorizar completamente os átomos em um metal. Não importa como você o processe,” explica Rodrigo Freitas, professor assistente TDK no Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais do MIT. “Este é o primeiro artigo mostrando esses estados fora do equilíbrio que são retidos no metal. Atualmente, essa ordem química não é algo que estamos controlando ou prestando atenção ao fabricar metais.”

Para Freitas, um pesquisador em início de carreira, a descoberta valida sua decisão de abordar um problema que muitos outros pensavam já estar resolvido. Ele credita o apoio do Programa de Jovens Investigadores do Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea dos EUA e o esforço colaborativo de sua equipe, que inclui três doutorandos do MIT — Mahmudul Islam, Yifan Cao e Killian Sheriff — como co-primeiros autores.

“Houve a questão de saber se eu deveria até mesmo abordar esse problema específico porque as pessoas vêm trabalhando nisso há muito tempo,” diz Freitas. “Mas quanto mais eu aprendia sobre isso, mais percebia que os pesquisadores estavam pensando nisso em cenários laboratoriais idealizados. Nós queríamos realizar simulações que fossem o mais realistas possível para reproduzir esses processos de fabricação com alta fidelidade. Minha parte favorita desse projeto é o quão não intuitivas são as descobertas. O fato de você não poder misturar tudo completamente, as pessoas não viam isso chegando.”

Da Surpresa à Teoria

Freitas e sua equipe começaram com uma pergunta simples: quão rapidamente os elementos se misturam durante o processamento de metais? O pensamento convencional sugeria que havia um ponto em que os metais se tornavam completamente uniformes a nível atômico durante a fabricação. Encontrar esse ponto, acreditavam, poderia ajudar a projetar ligas com diferentes níveis de ordem atômica de curto alcance.

Usando ferramentas avançadas de aprendizado de máquina, os pesquisadores simularam como milhões de átomos se moveram e rearranjaram durante o processamento de metais.

“A primeira coisa que fizemos foi deformar um pedaço de metal,” explica Freitas. “Esse é um passo comum durante a fabricação: você rola o metal, o deforma e o aquece novamente e deforma um pouco mais, para que ele desenvolva a estrutura que deseja. Fizemos isso e rastreamos a ordem química. A ideia era que, ao deformar o material, suas ligações químicas se quebram e isso aleatoriza o sistema. Esses processos de fabricação violentos essencialmente embaralham os átomos.”

No entanto, os metais não se comportaram como esperado. Apesar do processamento extremo, as ligas nunca atingiram um estado completamente aleatório. O resultado perplexou a equipe, uma vez que nenhuma teoria existente conseguia explicar isso.

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

Para explorar mais, eles construíram modelos computacionais de alta precisão para capturar como os átomos interagem e métodos estatísticos para medir como a ordem evolui ao longo do tempo. Através de simulações de dinâmica molecular em grande escala, eles observaram como os átomos se reorganizaram durante deformação e aquecimento.

A equipe observou que certos arranjos atômicos surgiam em temperaturas inesperadamente altas e, ainda mais notavelmente, padrões inteiramente novos surgiam que nunca haviam sido vistos fora da fabricação real. Eles descreveram esses padrões como “estados fora do equilíbrio.”

Em seguida, desenvolveram um modelo simplificado para reproduzir as principais características das simulações. O modelo revelou que esses padrões se originam de defeitos nos metais conhecidos como deslocações — distorções irregulares e tridimensionais na rede atômica. Quando o metal é deformado, as deslocações torcem e se movem, empurrando átomos vizinhos para posições preferenciais. Anteriormente, os pesquisadores acreditavam que esse processo destruía toda a ordem atômica, mas a equipe do MIT descobriu o oposto: as deslocações realmente favorecem certas trocas atômicas, criando padrões sutis, mas estáveis.

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

Aplicando uma Nova Teoria

Os pesquisadores estão agora explorando como esses padrões químicos se desenvolvem em uma ampla gama de condições de fabricação. O resultado é um mapa que relaciona várias etapas do processamento de metais a diferentes padrões químicos nos metais.

Até agora, essa ordem química e as propriedades que afetam foram amplamente consideradas um assunto acadêmico. Com este mapa, os pesquisadores esperam que os engenheiros possam começar a pensar nesses padrões como alavancas de design que podem ser puxadas durante a produção para obter novas propriedades.

“Os pesquisadores têm olhado para as maneiras como esses arranjos atômicos mudam as propriedades metálicas — um grande exemplo é a catálise,” diz Freitas sobre o processo que impulsiona reações químicas. “A eletroquímica acontece na superfície do metal, e é muito sensível a arranjos atômicos locais. E houve outras propriedades que você não pensaria que seriam influenciadas por esses fatores. O dano por radiação é outro grande exemplo. Isso afeta o desempenho desses materiais em reatores nucleares.”

Pesquisadores já contaram a Freitas que o artigo poderia ajudar a explicar outras descobertas surpreendentes sobre propriedades metálicas, e ele está animado para que o campo passe de pesquisas fundamentais sobre ordem química para trabalhos mais aplicados.

“Você pode pensar em áreas onde precisa de ligas muito otimizadas, como na aeroespacial,” diz Freitas. “Eles se preocupam com composições muito específicas. A fabricação avançada agora possibilita combinar metais que normalmente não se misturariam por meio da deformação. Compreender como os átomos realmente se embaralham e se misturam nesses processos é crucial, porque é a chave para ganhar resistência, mantendo a baixa densidade. Portanto, isso poderia ser algo muito importante para eles.”

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