Engenheiros desenvolvem um novo tipo de forma

Sep 27, 2023

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Os metais com memória de forma, que podem reverter de uma forma para outra simplesmente por serem aquecidos ou acionados de outra forma, têm sido úteis em uma variedade de aplicações, como atuadores que podem controlar o movimento de vários dispositivos. Agora, a descoberta de uma nova categoria de materiais com memória de forma feitos de cerâmica em vez de metal pode abrir uma nova gama de aplicações, especialmente para configurações de alta temperatura, como atuadores dentro de um motor a jato ou um poço profundo.

As novas descobertas foram relatadas hoje na revista Nature, em um artigo do ex-aluno de doutorado Edward Pang PhD '21 e dos professores Gregory Olson e Christopher Schuh, todos no Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais do MIT.

Os materiais com memória de forma, explica Schuh, têm duas formas distintas e podem alternar entre elas. Eles podem ser facilmente acionados por temperatura, estresse mecânico ou campos elétricos ou magnéticos, para mudar de forma de forma a exercer força, diz ele.

"Eles são materiais interessantes porque são como um pistão de estado sólido", diz ele - em outras palavras, um dispositivo que pode empurrar algo. Mas enquanto um pistão é um conjunto de muitas peças, um "material com memória de forma é um material de estado sólido que faz tudo isso. Não precisa de um sistema. Não precisa de muitas peças. É apenas um material, e muda de forma espontaneamente. Pode funcionar. Portanto, é interessante como um 'material inteligente'", diz ele.

Os metais com memória de forma têm sido usados ​​há muito tempo como atuadores simples em uma variedade de dispositivos, mas são limitados pelas temperaturas de serviço alcançáveis ​​dos metais usados, geralmente algumas centenas de graus Celsius no máximo. A cerâmica pode suportar temperaturas muito mais altas, às vezes até milhares de graus, mas é conhecida por sua fragilidade. Agora, a equipe do MIT encontrou uma maneira de superar isso e produzir um material cerâmico que pode atuar sem acumular danos, tornando possível que ele funcione de forma confiável como um material com memória de forma através de muitos ciclos de uso.

"Os materiais com memória de forma que existem no mundo são todos de metal", diz Schuh. "Quando você altera a forma de um material no nível atômico, há muitos danos que podem ser criados. Os átomos precisam se reorganizar e mudar sua estrutura. E como os átomos estão se movendo e se reorganizando, é fácil colocá-los no pontos errados e criam defeitos e danificam o material, o que os leva à fadiga e eventualmente se desfazem."

Ele acrescenta que "você acaba com materiais que podem se deformar algumas vezes, mas eventualmente se degradam e podem desmoronar. E como os metais são tão dúcteis, eles são um pouco mais resistentes a danos, então o campo realmente se concentrou em metais porque quando um metal é danificado por dentro, ele pode tolerá-lo."

A cerâmica, por outro lado, não tolera bem danos e normalmente não dobra, mas fratura. A zircônia é conhecida por ter uma propriedade de memória de forma, mas acumula danos com muita facilidade durante um ciclo de memória de forma - uma propriedade medida como alta histerese. "O que queríamos fazer com este trabalho era projetar uma nova cerâmica e visar especificamente essa histerese. Queríamos projetar uma cerâmica em que a transformação [da forma] ainda fosse gigantesca: queremos fazer muito trabalho. Mas internamente, em a escala atômica, é mais suave."

Schuh explica que Pang, que liderou o trabalho, "pegou todas as ferramentas modernas da ciência, tudo o que você pode nomear - termodinâmica computacional, física de transformação de fase, cálculos cristalográficos, aprendizado de máquina - e juntou todas essas ferramentas de uma maneira totalmente nova. " a fim de resolver o problema de criar tal material.