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Um novo método para cultivar monocristais e simultaneamente controlar sua orientação de crescimento sem processamento de fusão foi descoberto pelo doutorado em ciência e engenharia de materiais da Texas A&M University Dr. Hande Ozcan e Dr. Ibrahim Karaman, chefe de departamento e professor da Chevron.
A descoberta deste novo método de controle de crescimento e orientação de cristais em estado sólido foi recentemente publicada na revista Acta Materialia. O trabalho de pesquisa enfoca o crescimento de grandes cristais únicos e sua capacidade de mudar sua orientação cristalográfica. A orientação cristalográfica descreve o alinhamento dos cristais dentro de uma amostra a granel.
“Temos trabalhado em monocristais nas últimas três décadas, mas o crescimento dos cristais com processamento de fusão e controle de suas orientações tem sido bastante desafiador”, disse Karaman. “O método que Hande descobriu agora nos poupa muito tempo e oferece mais flexibilidade. Há mais a explorar; é isso que nos deixa entusiasmados com esse novo método.”
De acordo com o trabalho de pesquisa, controlar o tamanho, a forma e a orientação cristalográfica dos monocristais é vital para explorar as propriedades desejadas. Ozcan disse que este método é importante para aplicações que requerem materiais com propriedades anisotrópicas.
“Esse mecanismo permite que esses materiais mudem sua orientação no estado sólido sem técnicas de processamento de fusão complicadas e caras. Isso é importante porque esses materiais exibem propriedades diferentes quando têm diferentes direções cristalográficas”, disse Ozcan.
Pela primeira vez, Ozcan viu que as orientações cristalográficas podem ser alteradas em grande escala.
“Isso pode mudar fundamentalmente a forma como olhamos para os monocristais e manipulamos as propriedades dos materiais, porque com os métodos de estado sólido, podemos não apenas criar grandes monocristais com muita facilidade, mas, ao mesmo tempo, agora podemos brincar com sua orientação cristalográfica”, disse. disse Ozcan.
Cristais únicos são essenciais para microeletrônica, cristais ópticos, dispositivos magnéticos, células solares, componentes piezoelétricos e ligas multifuncionais. Um exemplo de caso de uso específico para esses materiais são as ligas multifuncionais com memória de forma. Esses materiais podem mudar de forma e se recuperar com a aplicação de calor ou estresse.
“Por exemplo, você pode deformar o material quando aplica uma carga, mas quando a solta, ele retorna à sua forma original”, disse Ozcan.
Essas propriedades dependem fortemente da orientação do monocristal; algumas orientações exibem essa recuperação de maneira perfeita, outras não. Assim, o controle de orientação é crítico na obtenção de propriedades funcionais superiores.
Outra vantagem dessa técnica, segundo o trabalho de pesquisa, é que ela não requer equipamentos complexos e caros.
Tradicionalmente, técnicas de crescimento por fusão, chamadas de processos Bridgman e Czochralski, são usadas para obter grandes cristais com uma orientação preferencial. No entanto, controlar a orientação do cristal ainda é um desafio.
Esses métodos dependem da disponibilidade de cristais de semente adequados, nucleação precisa e controle de perfil térmico durante o processamento.
Devido a essa complexidade, esses métodos são muito caros. O novo método é chamado de técnica de crescimento de cristal em estado sólido (SSCG), um método em que grandes cristais a granel com diferentes orientações cristalográficas podem ser produzidos com tratamentos térmicos simples.
Nesse processo, os cristais produzidos são mais versáteis e podem atingir melhor homogeneidade química do que nas técnicas de crescimento por fusão tradicionalmente usadas.
A equipe de pesquisa da Texas A&M demonstrou o método SSCG em dois sistemas de liga, FeMnAlNi e CuMnAl, e alcançou mudanças de orientação maciças e repetidas no estado sólido.
Essas descobertas oferecem uma nova estratégia para manipular a orientação de grandes monocristais sob demanda para aproveitar suas propriedades superiores e altamente anisotrópicas, de acordo com o trabalho de pesquisa.
“Esse processo funciona com materiais que possuem precipitados semicoerentes e regiões bifásicas em seu diagrama de fases”, disse Ozcan. “Quando você alterna várias vezes o material de alta para baixa temperatura em uma região bifásica, os precipitados nucleam e se dissolvem, deixando para trás os contornos dos subgrãos. Então os grãos começam a crescer, diminuindo o excesso de energia nos contornos dos subgrãos. Esses grãos continuam a crescer e fundir e, finalmente, você pode obter um único cristal.”
Quando você continua a ciclar o material depois que ele se torna um monocristal, não há outras maneiras de reduzir o excesso de energia no sistema e ele ativa um mecanismo que altera sua orientação cristalográfica.
“Na verdade, descobrimos essa técnica enquanto trabalhávamos em outra coisa. Não tínhamos como objetivo específico mudar a orientação cristalográfica”, disse Ozcan. “Estávamos apenas trabalhando no cultivo de grandes monocristais.”
Durante esse processo, Ozcan e a equipe descobriram que, em apenas alguns ciclos, as ligas se transformariam em monocristais e, com ciclos adicionais, ela percebeu que a orientação dos monocristais começava a mudar completamente.
“Mostrei os resultados ao Dr. Karaman e fiquei muito animada”, disse ela. “Depois disso, começamos a entender o que estava acontecendo e por que a orientação do cristal estava mudando; tentamos diferentes métodos e cronogramas de processamento para manipular essa mudança.
Esta descoberta abrirá extensas áreas de pesquisa, disse ela. Este é apenas o começo deste novo caminho emocionante de encontrar novos materiais.
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