Rachaduras microscópicas no metal podem curar espontaneamente

Rachaduras microscópicas em metais podem se curar sozinhas, sugerindo que máquinas auto-reparáveis ​​poderão um dia reverter os danos sofridos, revela um novo estudo.

Quando as peças metálicas das máquinas são repetidamente expostas a tensões, formam-se fissuras microscópicas que crescem e se espalham ao longo do tempo até que as peças se quebrem. Essa fadiga é responsável por até 90% de todas as quebras em estruturas metálicas, muitas vezes de forma catastrófica e imprevisível.

Pesquisas anteriores investigaram metais que poderiam se reparar após a aplicação de calor para ativar componentes de cura latentes. Agora os cientistas descobrem que fissuras microscópicas no metal podem desaparecer completamente por si mesmas.

“Esta descoberta pode eventualmente levar a novas estratégias para mitigar a fissuração por fadiga em metais”, diz o coautor sênior do estudo Brad Boyce, cientista de materiais do Centro de Nanotecnologias Integradas dos Laboratórios Nacionais Sandia em Albuquerque, Novo México.

No novo estudo, os pesquisadores da Sandia analisaram originalmente como as rachaduras se formaram e se espalharam em pedaços de folha de platina com 40 nanômetros de espessura e mantidos no vácuo. Usando um novo instrumento desenvolvido a pedido de Sandia que poderia caber em um microscópio eletrônico, os pesquisadores puxaram repetidamente as bordas do metal 200 vezes por segundo para tensionar a folha.

Surpreendentemente, cerca de 40 minutos após o início do experimento, o dano reverteu o curso. Uma extremidade de uma rachadura se fundiu ao longo de 18 nm de seu comprimento, sem deixar vestígios. Com o tempo, à medida que o experimento continuava, a rachadura reabriu em uma direção diferente.

O segredo por trás dessa autocura é um fenômeno conhecido como soldagem a frio. Os metais são mantidos juntos por ligações metálicas, nas quais os elétrons mais externos de cada átomo são livres para se moverem pela estrutura geral do material. Isso significa que quando duas peças de metal planas e limpas entram em contato, elas podem se fundir. A natureza das ligações metálicas significa que para os átomos e elétrons livres em cada peça de metal, não há distinção entre as duas peças, e elas se comportam como se fossem uma só peça unida.

A soldagem a frio geralmente não é vista na vida cotidiana porque os metais muitas vezes acabam revestidos por camadas de óxidos e outros contaminantes que impedem sua ocorrência. No entanto, pode levar a problemas no espaço – por exemplo, a antena de alto ganho da sonda Galileo da NASA para Júpiter não conseguiu abrir totalmente em 1991 porque a soldadura a frio fundiu partes dela.

Os cientistas sabem que a soldagem a frio pode ocorrer quando os metais são pressionados uns contra os outros. No entanto, em 2013, simulações computacionais do cientista de materiais Michael Demkowicz, então no MIT, e do então estudante de graduação Guoqiang Xu sugeriram que a soldagem a frio poderia curar rachaduras microscópicas mesmo sem compressão. As novas descobertas apoiam esse trabalho anterior.

“Fiquei entusiasmado ao ver uma previsão tão contra-intuitiva ganhando validação experimental”, diz Demkowicz, agora na Texas A&M University em College Station.

Boyce adverte que “esta não foi uma grande rachadura e não se curou completamente. Era uma rachadura microscópica que só cicatrizava na ponta.”

Ainda assim, a capacidade do metal de autocurar até mesmo uma rachadura microscópica pode encontrar aplicações. “Todos os danos começam na nanoescala”, diz Demkowicz, um dos autores seniores do novo estudo. “Se pudermos curar as rachaduras enquanto elas ainda são pequenas, poderemos cortar os danos pela raiz.”

Os cientistas querem agora ver se esta autocura pode acontecer no ar em vez de no vácuo, e em ligas como o aço, diz Boyce. Em última análise, eles gostariam de projetar materiais que pudessem aproveitar intencionalmente esse efeito, acrescenta.

Os pesquisadores detalharam suas descobertas em 19 de julho na revista Nature.