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Nos anos 1900, descobriu-se que os materiais cerâmicos, pelo menos em princípio, podem ser permanentemente deformados sem fratura à temperatura ambiente. Desde então, pesquisadores de materiais sonham em fazer cerâmicas que podem ser dobradas, puxadas e marteladas sem fratura. Em seu artigo, o Dr. Erkka J. Frankberg comenta resultados de pesquisas recentes sobre cerâmicas dúcteis e pondera se elas podem ser dimensionadas para uso comercial.
A fabricação de cerâmica dúctil é uma tarefa difícil. A plasticidade em cerâmica raramente é observada e normalmente requer condições especiais, como temperaturas extremas, para ser plausível. Portanto, em vez de amassar, sua caneca de café de cerâmica se quebrará em pedaços quando cair em um piso duro.
Em seu artigo, o Dr. Erkka J. Frankberg, especialista finlandês em plasticidade de cerâmicas, comenta algumas das últimas descobertas sobre plasticidade à temperatura ambiente em cerâmicas, relatadas por J. Zhang et al. na Science378, 371 (2022). Em seu comentário, Frankberg pinta uma visão mais ampla sobre os benefícios potenciais se tais cerâmicas dúcteis pudessem ser possíveis e dimensionadas para uso comercial, possivelmente inaugurando uma nova idade da pedra.
Por que seria importante descobrir cerâmicas dúcteis à temperatura ambiente? É devido aos próprios átomos e à ligação entre eles. As cerâmicas têm ligações iônicas e covalentes entre os átomos que diferem significativamente, por exemplo, das ligações em ligas metálicas. Uma grande diferença é que as ligações dos átomos iônicos e covalentes estão entre as mais fortes que conhecemos. Como resultado, em teoria, a cerâmica deveria estar entre os materiais de engenharia mais fortes que existem.
“O problema é este: embora as ligações sejam fortes, elas também impedem que os átomos se movam facilmente no material, e esse movimento é necessário para criar plasticidade, ou em outras palavras, uma mudança permanente na forma percebida do material. plasticidade, infelizmente, as cerâmicas fraturam bem abaixo de sua resistência teórica e, na prática, muitas vezes têm resistência final menor do que muitas ligas metálicas comumente usadas em engenharia”, diz Frankberg.
Como demonstração do potencial da cerâmica dúctil, Zhang et al. Mostre que se o nitreto de silício (Si3N4), um material cerâmico, é projetado para exibir plasticidade, ele pode apresentar uma resistência final gritante de ~ 11 GPa antes da fratura. Isso é cerca de 10 vezes mais forte do que alguns tipos comuns de aço de alta resistência!
O que a cerâmica dúctil ultra-forte poderia nos dar?
“Maior resistência significa menos material necessário para construir máquinas em movimento, como veículos e robôs. Menos material significa menor inércia, o que significa menor consumo de energia e maior eficiência para todas as máquinas em movimento. Maior resistência ao desgaste e à corrosão da cerâmica permitiria maior tempo de atividade nesses aplicativos, o que permite benefícios econômicos”, aponta Frankberg.
A humanidade tem uma necessidade constante de materiais de engenharia cada vez mais fortes, devido ao grande impacto transversal que teria, melhorando a eficiência energética da sociedade.
“Por causa da ligação mais suave, há um limite rígido para a resistência dos materiais que podemos criar a partir de metais. Para alcançar o próximo nível de resistência, a cerâmica é uma boa candidata”, afirma.
Enquanto os resultados de Zhang et al. são demonstração espetacular do potencial da cerâmica dúctil, os resultados são demonstrados em nanoescala, como resultados mais semelhantes no campo. Portanto, ainda há um longo e sinuoso caminho pela frente para realizar o sonho da cerâmica flexível, que precisa essencialmente que esses resultados se repitam em um material mais volumoso.
“Mas cada descoberta de um novo mecanismo de plasticidade à temperatura ambiente, como o apresentado por Zhang et al., nos mantém agarrados ao sonho da cerâmica flexível”, resume Erkka J. Frankberg.
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