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Cientistas testemunharam pela primeira vez pedaços de metal rachando e depois se fundindo novamente sem qualquer intervenção humana, derrubando teorias científicas fundamentais no processo. Se o fenômeno recém-descoberto puder ser aproveitado, poderá dar início a uma revolução na engenharia – na qual motores, pontes e aviões auto-reparáveis podem reverter os danos causados pelo desgaste, tornando-os mais seguros e duradouros.
A equipe de pesquisa do Sandia National Laboratories e da Texas A&M University descreveu suas descobertas hoje na revista Natureza.
“Foi absolutamente impressionante assistir em primeira mão”, disse o cientista de materiais da Sandia, Brad Boyce.
“O que confirmamos é que os metais têm sua própria capacidade intrínseca e natural de se curar, pelo menos no caso de dano por fadiga em nanoescala”, disse Boyce.
Os danos causados pela fadiga são uma das maneiras pelas quais as máquinas se desgastam e, eventualmente, quebram. Tensão ou movimento repetido causa a formação de trincas microscópicas. Com o tempo, essas rachaduras crescem e se espalham até — snap! Todo o dispositivo quebra ou, no jargão científico, falha.
A fissura que Boyce e sua equipe viram desaparecer era uma dessas fraturas minúsculas, mas consequentes – medidas em nanômetros.
“Desde as juntas de solda em nossos dispositivos eletrônicos até os motores de nossos veículos e as pontes sobre as quais passamos, essas estruturas muitas vezes falham de forma imprevisível devido ao carregamento cíclico que leva ao início de trincas e eventual fratura”, disse Boyce. “Quando eles falham, temos que lidar com custos de substituição, perda de tempo e, em alguns casos, até ferimentos ou perda de vidas. O impacto econômico dessas falhas é medido em centenas de bilhões de dólares todos os anos para os EUA”
Embora os cientistas tenham criado alguns materiais auto-reparáveis, principalmente plásticos, a noção de um metal auto-reparável tem sido em grande parte do domínio da ficção científica.
“Esperava-se que rachaduras em metais ficassem maiores, não menores. Mesmo algumas das equações básicas que usamos para descrever o crescimento de rachaduras excluem a possibilidade de tais processos de cura”, disse Boyce.
Descoberta inesperada confirmada pelo criador da teoria
Em 2013, Michael Demkowicz – então professor assistente no departamento de ciência e engenharia de materiais do Instituto de Tecnologia de Massachusetts, agora professor titular da Texas A&M – começou a desbastar a teoria convencional dos materiais. Ele publicou uma nova teoria, baseada em descobertas em simulações de computador, de que, sob certas condições, o metal deveria ser capaz de soldar rachaduras formadas pelo desgaste.
A descoberta de que sua teoria era verdadeira veio inadvertidamente no Centro de Nanotecnologias Integradas, uma instalação do Departamento de Energia operada conjuntamente pelos laboratórios nacionais de Sandia e Los Alamos.
“Certamente não estávamos procurando por isso”, disse Boyce.
Khalid Hattar, agora professor associado da Universidade do Tennessee, Knoxville, e Chris Barr, que agora trabalha para o Escritório de Energia Nuclear do Departamento de Energia, estavam realizando o experimento em Sandia quando a descoberta foi feita. Eles pretendiam apenas avaliar como as rachaduras se formavam e se espalhavam por um pedaço de platina em nanoescala usando uma técnica especializada de microscópio eletrônico que eles desenvolveram para puxar repetidamente as extremidades do metal 200 vezes por segundo.
Surpreendentemente, cerca de 40 minutos após o início do experimento, o dano mudou de curso. Uma ponta da rachadura fundiu-se como se estivesse refazendo seus passos, sem deixar vestígios do ferimento anterior. Com o tempo, a rachadura voltou a crescer em uma direção diferente.
Hattar chamou isso de “insight sem precedentes”.
Boyce, que estava ciente da teoria, compartilhou suas descobertas com Demkowicz.
“Fiquei muito feliz em ouvir isso, é claro”, disse Demkowicz. O professor então recriou o experimento em um modelo de computador, comprovando que o fenômeno testemunhado em Sandia era o mesmo que ele havia teorizado anos antes.
Seu trabalho foi apoiado pelo Escritório de Ciências do Departamento de Energia, Ciências Básicas de Energia; a Administração Nacional de Segurança Nuclear e a Fundação Nacional de Ciência.
Muito permanece desconhecido sobre o processo de autocorreção, incluindo se ele se tornará uma ferramenta prática em um ambiente de fabricação.
“A extensão em que essas descobertas são generalizáveis provavelmente se tornará um assunto de extensa pesquisa”, disse Boyce. “Mostramos isso acontecendo em metais nanocristalinos no vácuo. Mas não sabemos se isso também pode ser induzido em metais convencionais no ar.”
No entanto, apesar de todas as incógnitas, a descoberta continua sendo um salto na fronteira da ciência dos materiais.
“Minha esperança é que esta descoberta encoraje os pesquisadores de materiais a considerar que, nas circunstâncias certas, os materiais podem fazer coisas que nunca esperamos”, disse Demkowicz.
O Sandia National Laboratories é um laboratório multimissão operado pela National Technology and Engineering Solutions da Sandia LLC, uma subsidiária integral da Honeywell International Inc., para a Administração Nacional de Segurança Nuclear do Departamento de Energia dos Estados Unidos. Sandia Labs tem grandes responsabilidades de pesquisa e desenvolvimento em dissuasão nuclear, segurança global, defesa, tecnologias de energia e competitividade econômica, com instalações principais em Albuquerque, Novo México e Livermore, Califórnia.
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