A prata em nanoescala exibe habilidades intrínsecas de autocura sem intervenção externa

Como um conceito inovador em ciência e engenharia de materiais, a inspiração para materiais autocuráveis ​​vem de organismos vivos que têm a capacidade inata de se autocurar. Nessa linha, a busca por materiais autocuráveis ​​tem sido geralmente focada em materiais “macios” como polímeros e hidrogéis. Para metais de estado sólido, pode-se imaginar intuitivamente que qualquer forma de autocura será muito mais difícil de ser alcançada.

Embora alguns estudos anteriores tenham demonstrado o comportamento de autocura em metais que requer mais ou menos a assistência de gatilhos externos (por exemplo, por aquecimento, estímulo mecânico ou irradiação de feixe de elétrons), se a autocura autônoma pode ocorrer em sólidos metálicos sem qualquer intervenção externa continua sendo uma curiosidade científica.

Agora, em um novo estudo publicado em Matériapesquisadores do Instituto de Física (IOP) da Academia Chinesa de Ciências descobriram que esse fenômeno de autocura intrínseco e autônomo pode ocorrer na prata em nanoescala (Ag).

Este estudo, que combina microscopia eletrônica de transmissão (MET) avançada in situ com simulações de dinâmica molecular (MD), revela que o Ag em nanoescala pode se reparar autonomamente de danos estruturais, como nanofissuras e nanoporos, sem intervenção externa.

Essa capacidade notável é observada não apenas em temperatura ambiente, mas também em temperaturas frias de até 173 K. Notavelmente, na mesma área danificada, os ciclos repetidos de autocura reversível também podem ser alcançados com o mesmo nível de eficiência.

Os experimentos foram realizados dentro de um TEM de resolução atômica utilizando nanofolhas de Ag monocristalinas como espécimes de teste. Tanto nanoporos quanto nanofissuras foram propositalmente fabricados por meio de perfuração in situ por feixe de elétrons TEM. Para evitar qualquer possível intervenção no processo de cura, o espécime de nanofolha de Ag foi posteriormente mantido em um estado “beam-off” até cada momento para imagens TEM de intervalo.

Como um resultado interessante e talvez surpreendente, observou-se que os dois tipos representativos de danos estruturais passaram por uma rápida autocura autônoma dentro de vários a dezenas de minutos, com as regiões curadas restaurando perfeitamente a rede cristalina do Ag com ordenação atomicamente precisa.

Ao contrário do Ag, o ouro (Au) não apresentou comportamento de autocura semelhante à temperatura ambiente, apesar do Au ser o elemento mais relevante para o Ag na tabela periódica e eles compartilharem muitas semelhanças em propriedades físicas e químicas.

Outros resultados de simulação de MD reproduziram as observações experimentais, especialmente em relação à diferença no comportamento de cura entre Ag e Au. O que diferencia Ag de Au é sua alta mobilidade de difusão de superfície, uma característica não comumente encontrada em outros sólidos metálicos.

Ao empregar TEM, os pesquisadores foram capazes de rastrear in situ as trajetórias do processo de cura em Ag no nível atômico. Com uma combinação de imagens atomísticas e resultados de simulação teórica, a pesquisa destaca que a autocura é habilitada pela autodifusão mediada pela superfície de átomos de Ag, conforme impulsionada pelo desequilíbrio do potencial químico devido ao efeito Gibbs-Thomson.

Quando uma estrutura de dano nascente (nanoporo ou nanofissura) começa sua existência em uma nanofolha de Ag, um sítio côncavo com curvatura local negativa é criado. Devido à dependência geral da curvatura do potencial químico, o sítio de dano côncavo terá, portanto, menor potencial químico em relação às áreas não danificadas da nanofolha. Esse desequilíbrio embutido do potencial químico leva os átomos de Ag a migrarem e repararem o dano de forma autônoma, exibindo uma forma sofisticada de automanutenção do material.

A capacidade do Ag de autocurar danos em nanoescala em temperatura ambiente e abaixo mostra uma possibilidade promissora para o desenvolvimento de componentes e dispositivos tolerantes a danos na escala de comprimento submicrométrico.

Talvez ainda mais importante, em um sentido mais amplo, essa descoberta incomum em um nível mecanicista pode fornecer uma estrutura orientadora para uma compreensão mais profunda dos fenômenos e conceitos de autocura em sólidos metálicos em geral.