Memórias de uma espuma metálica

[Traduzido de: Metallic Shape-Memory Foam Shows Giant Response to Magnetic Fields ]

Original em inglês de Holly Martin, National Science Foundation

Liga “inteligente” se estica e se contrai em quase 10%

Optical micrograph showing the small and large pores (black) within the Ni-Mn-Ga alloy (white).

Espumas metálicas porosas são feitas em um processo de duas etapas.
Créditos e imagem ampliada

16 de outubro de 2009

Por coincidência, dois amigos, entre os 3.000 cientistas que compareceram ao Encontro de Outono da Sociedade de Pesquisas de Materiais em 2006 em Boston, se encontraram no lado de fora do Hynes Convention Center. Peter Müllner e David Dunand se formaram ambos no Instituto Federal de Tecnologia da Suíça (ETH) em Zurich.

Müllner, agora na Boise State University, estava pesquisando ligas magnéticas que mudavam de formato na presença de um campo magnético. Enquanto isso, Dunand, na Northwestern University em Chicago, ganhou experiência com espumas metálicas – materiais porosos de baixo peso que, algumas vezes, se parecem com uma esponja – particularmente sobre esponjas de ligas com memória de formato que mudam de formato com a temperatura.

Müllner recorda: “David estava com pressa para apanhar seu avião, mas tiramos alguns minutos para conversar sobre nossos trabalhos em curso. David me perguntou: ‘O que você pensa que poderia acontecer se nós fizéssemos uma espuma dessa sua liga com memória de formato magnética?’ Eu respondi que isso poderia resolver o problema dos policristais”.

Ligas com memória de formato magnéticas (Magnetic shape-memory alloys = MSMAs), são cristais sólidos feitos de uma combinação de materiais que reagem a campos magnéticos se esticando ou se contraindo, de forma não muito diferente de um músculo. Esses materiais são úteis para diversos empregos onde um dispositivo de comutação mecânico tem que ser acionado por um sinal elétricos e vice versa.

A quantidade de esticamento ou encolhimento exibido por essas ligas é chamado de deformação induzida por campo magnético (magnetic field-induced strain = MFIS). Então, por exemplo, com uma MFIS de 10%, uma haste com um pé (33 cm) de comprimento pode esticar ou encolher por mais de uma polegada (2,56 cm). Em algumas ligas, quando o campo magnéticos é retirado, o material volta a seu formato original: em outras, o campo tem que ser invertido.

A MFIS de uma liga depende de como os átomos se cristalizam quando o material fundido se resfria e solidifica. Existem dois tipos básicos de cristais: monocristais, que se parecem com grandes pedras preciosas, e policristais que contém milhões, ou até mesmo bilhões, de pequenos cristais, chamados grãos.

Müllner explica que “os átomos em um monocristal ficam organizados em padrões estritamente periódicos, algo como lajotas assentadas no mesmo padrão sobre o piso de toda uma casa”.

“Em um policristal, a orientação do padrão dos átomos muda de um lugar para outro, com as fronteiras os contornos de grãos [obrigado, Felipe!] formando linhas ou planos entre os pequenos cristais”, continua ele. “Pense no mesmo tipo de lajota instalado por toda a casa, mas desta vez com uma orientação diferente em cada cômodo, com as juntas correndo em direções diferentes”.

Os monocristais demoram mais para serem fabricados e custam mais do que os policristais. Müllner explica: “Quando se funde policristais, a liga só precisa ser mantida por poucos minutos em temperaturas muito altas (acima dos 1.000 °C). Já os monocristais precisam ser mantidos nessas temperaturas extremas por dias, o que consome uma enorme quantidade de energia elétrica”.

Segundo Müllner, todas as ligas feitas por processos convencionais, tais como fundição e forjamento, são policristais, o que leva a um problema: as MSMAs não reagem aos campos magnéticos tão bem como os monocristais.

Mas o comentário de Dunand fez Müllner compreender que poderia ser possível criar um material policristalino com uma MFIS maior, se o convertesse em espuma metálica.

Criando Espuma Metálica

Optical micrograph of polished cross-section of dual-pore sized Ni-Mn-Ga shape memory foam.

Ligas magnéticas com memória de forma reagem a campos magnéticos se expandindo ou se contraindo.
Créditos e imagem ampliada

O termo “espuma metálica” parece uma contradição. No entanto, ligas metálicas fundidas, tanto com bolsões preenchidos por gás, como com poros abertos, têm sido levadas em conta para muitas aplicações, tais como aeronaves, que necessitam de resistência combinada com peso leve.

De acordo com Dunand, espumas metálicas porosas são feitas em um processo com duas etapas. Primeiro, os pesquisadores criam um molde negativo, aquecendo uma cerâmica em pó, até que ela forme um corpo rígido com vários poros abertos. Em seguida, eles derramam uma liga metálica fundida bem dentro dos poros. Depois que a liga se solidifica em forma cristalina, a forma de cerâmica é dissolvida por uma solução ácida, deixando um arranjo de finas hastes metálicas que lembram uma esponja.

Após criar a esponja, os cientistas precisam “adestrar” a mesma para realizar seus truques magnéticos. Müllner relata: “Nós aplicamos repetidamente um campo magnético e uma carga mecânica, à medida em que aquecemos e resfriamos o material. Como resultado, o material começa a se deformar cada vez com mais facilidade e em maiores quantidades. Durante esse processo, a micro-estrutura interna do material se modifica, o que quer dizer que o número, a orientação e a mobilidade de certas fronteiras especiais dos grãos – as assim chamadas “fronteiras gêmeas” “maclas” [obrigado Felipe!] – se modificam”.

Resultados Promissores

Dunand e Müllner decidiram-se por cooperar neste problema, coemçando com espuma feita de Ni-Mn-Ga, uma liga de níquel, manganês e gálio. Dunand relata: “Três meses depois, nós tínhamos os primeiros resultados: uma patente, uma verba-prêmio da Fundação Nacional de Ciências e um artigo publicado em Physical Review Letters“.

No entanto, a deformação total da espuma obtida ainda era relativamente pequena. Para a próxima fase de suas pesquisas, eles decidiram fazer a espuma com dois tamanhos diferentes de poros: alguns de cerca do tamanho dos grãos cristalinos e outros menores que os grãos. “Para produzir espuma, tanto com poros grandes como pequenos, misturamos dois pós cerâmicos para criar um correspondente molde negativo”, lembra Dunand.

Os resultados, publicados em Nature Materials, foram melhores do que os pesquisadores esperavam. Com os poros de um único tamanho, eles obtiveram uma MFIS de apenas 0,12%, o que equivale a uma haste de um pé (33 cm) capaz de esticar cerca de um centésimo de polegada (0,256 mm). Porém, com dois tamanhos diferentes de poros, a  MFIS aumentou para algo entre 2,0 a 8,7 %, o que significa a mesma haste esticando de 1/4 de polegada (6,4 mm) a uma polegada (25,6 mm).

Pondo a Espuma para Trabalhar

Ligas com memória de formato tem sido usadas em sensores e controladores mecânicos de todos os tipos. No entanto, ainda não existem no mercado dispositivos comerciais que empreguem espumas de MSMAs, segundo Dunand.

Ele diz: “Posso imaginar que a refrigeração magnética pode se tornar a primeira aplicação tecnológica da espuma magnética com memória de forma. Quando a espuma se torna magnetizada, ela se aquece. Inversamente, quando ela é desmagnetizada, se resfria”.

“Os vários poros na espuma fornecem uma grande área de superfície, o que acelera a troca de calor e, dessa forma, a eficiência. E, como a energia magnética pode ser facilmente produzida com energia elétrica, isso torna a espuma atraente para uma tecnologia verde de refrigeração”.

A equipe de pesquisadores também incului Markus Chmielus e C. Witherspoon, da Boise State University, e X.X. Zhang, da Northwestern University.


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Discussão - 2 comentários

  1. Joâo Carlos disse:

    Correção efetuada! Obrigado, Felipe!

  2. Felipe Lima disse:

    “grain boundary” são “contornos de grão” e “twin boundaries” são “maclas”, de acordo com o vocabulário técnico.

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