Desvendando os princípios fundamentais da solidificação eutética com imagens em nanoescala em tempo real

Durante a solidificação eutética, uma mistura de dois ou mais sólidos se automonta, formando microestruturas compostas que variam de camadas ordenadas a padrões intrincados semelhantes a labirintos que fundamentam propriedades como resistência à tração ou ductilidade.

Até o momento, os pesquisadores não entenderam quais condições levam os eutéticos a formar certos padrões, o que é essencial para projetar compósitos eutéticos reproduzíveis de próxima geração.

Captura da solidificação em tempo real de uma liga eutética de alumínio-níquel (Al-Al₃Ni) em resolução nanométrica revelou que o aumento da velocidade de solidificação muda a microestrutura de irregular e facetada para regular e arredondada, de acordo com um estudo liderado por pesquisadores da Universidade de Michigan publicado recentemente em Diário de Materiais.

Aproveitar essa nova compreensão da formação eutética ajudará a ajustar a microestrutura para a classe de material usada em componentes de alta temperatura em turbinas ou reatores.

“Sempre fui cativado por padrões na natureza, como flocos de neve, onde não há dois idênticos.

“Esse fascínio por como processos aparentemente simples podem dar origem a estruturas infinitamente ricas, complexas e únicas me leva a explorar os princípios subjacentes a eles”, disse Ashwin Shahani, professor associado de ciência e engenharia de materiais e engenharia química na UM e autor sênior do estudo.

“Na ciência dos materiais, o mesmo tipo de pergunta se aplica: como pequenas mudanças nas condições levam a microestruturas dramaticamente diferentes?”

Para entender melhor como as microestruturas eutéticas se formam, a equipe de pesquisa projetou um novo forno in-situ na linha de luz síncrotron para solidificação direcional — uma técnica em que o crescimento do cristal da fase líquida para a fase sólida é orientado em uma direção específica. O aparelho permite controle preciso sobre o espaço de processamento de solidificação, possibilitando estudo detalhado da formação de padrões durante a solidificação eutética.

Para correlacionar as observações em nanoescala com fenômenos em microescala, os pesquisadores combinaram duas técnicas de visualização. A microscopia óptica capturou a solidificação em grandes escalas de espaço e tempo, enquanto a microscopia de raios X de transmissão síncrotron forneceu insights em nanoescala. A última foi conduzida na linha de luz de imagem de raios X de campo total 18-ID na National Synchrotron Light Source II do Brookhaven National Laboratory.

Com isso, eles observaram diretamente a interação entre o líquido, o alumínio (Al) e o alumineto de níquel (Al₃Ni) durante a solidificação sob diferentes condições. A taxa de crescimento de Al₃Ni comparado ao Al — chamado de grau de acoplamento — determinou a forma das microestruturas sólidas deixadas para trás.

Por exemplo, ao solidificar em velocidades mais baixas, as pontas principais do Al₃Ni cresce à frente de Al, causando crescimento irregular e facetado. Em altas velocidades de solidificação, Al₃Ni e Al crescem na mesma proporção, resultando em um crescimento regular e arredondado.

Em uma fundição, a velocidade de solidificação depende de vários fatores, incluindo a condutividade térmica do fundido e a taxa de extração de calor.

“Nossos experimentos pioneiros e observações em tempo real ajudam a explicar a grande diversidade de padrões produzidos pela solidificação de eutéticos contendo fases rígidas e intermetálicas. Esses insights são essenciais para informar e validar simulações de síntese de materiais”, disse Paul Chao, um doutorando em ciência e engenharia de materiais na UM, que passou um ano inteiro em 2022 como pesquisador residente incorporado à linha de luz síncrotron e primeiro autor do estudo.

“Nossos experimentos servem como um exemplo de como a excelente orientação na Universidade de Michigan, a parceria com o Laboratório Nacional de Brookhaven e a colaboração internacional são essenciais para pesquisas de ponta que podem resolver enigmas científicos fundamentais.”

Essa descoberta é de ampla relevância para um amplo espectro de sistemas eutéticos, incluindo aqueles que são metálicos, semimetálicos e orgânicos.

“Manipular esses padrões é mais do que apenas uma busca técnica: é uma maneira de desvendar princípios fundamentais e aplicá-los de maneiras significativas, desde melhorar a resistência dos materiais até criar novas abordagens pioneiras no design de materiais”, disse Shahani.