Cerâmica com memória de forma chega aonde nenhum metal foi antes

Redação do Site Inovação Tecnológica - 19/10/2022

Em um processo parecido com a dopagem na eletrônica, a cerâmica pode se estender e contrair sem trincar ou quebrar.
[Imagem: Edward Pang]

Memória de forma

A descoberta de uma nova categoria de materiais com memória de forma, agora feitos de cerâmica em vez de metal, abre uma gama enorme de aplicações, especialmente para mecanismos de alta temperatura, de motores a jato e geradores termoelétricos até perfurações de poços profundos.

Os materiais com memória de forma têm duas formas distintas e podem alternar entre elas mediante um gatilho, que pode ser uma mudança de temperatura, estresse mecânico, campos elétricos ou campos magnéticos. Disparado o gatilho, o material muda de forma, exercendo uma força que pode ser aproveitada.

Como o professor Christopher Schuh, do MIT, explica: "São materiais interessantes porque são como um pistão de estado sólido" - 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. Ele não precisa de um sistema, não precisa de muitas peças. É apenas um material, e muda sua forma espontaneamente. E ele faz trabalho. Então, é interessante como um 'material inteligente'."

Até agora, contudo, todos os materiais desse tipo com aplicações práticas eram metais, e, mesmo tendo se tornado úteis em diversas aplicações, os metais com memória de forma são limitados pelas temperaturas de serviço alcançáveis pelos respectivos metais usados, geralmente algumas centenas de graus Celsius no máximo.

Zircônia

Agora, a equipe encontrou uma maneira de superar essa deficiência usando um material cerâmico.

Na verdade, já se sabia que a zircônia, uma cerâmica de fórmula ZrO₂ (dióxido de zircônio), apresenta memória de forma, mas ela acumula danos com muita facilidade durante apenas um ciclo de mudança de forma - uma propriedade medida como alta histerese.

O que o professor Schuh e seus alunos fizeram foi sintetizar uma nova variação de zircônia capaz de funcionar como atuador sem acumular danos, tornando possível que ela funcione de maneira confiável como um material com memória de forma através de muitos ciclos de uso.

"Basicamente, é zircônia," diz Schuh. "Ela se parece, cheira e tem gosto da zircônia que as pessoas já conhecem e usam, inclusive como a zircônia cúbica em joias."

A diferença está na introdução de alguns átomos de diferentes elementos na estrutura da cerâmica original, de uma forma que altera algumas de suas propriedades. Esses elementos se "dissolvem" na rede cristalina do material, tornando a mudança de fase mais suave na escala atômica.

A histerese mudou tão drasticamente que agora se assemelha à dos metais. "Essa foi uma grande, enorme mudança - estamos falando de um fator de 10," disse Schuh. Isso garante uma deformação de cerca de 10% em tamanho, o que significa que uma haste desse material pode ficar 10% mais longa quando acionada, o que é suficiente para fazer um trabalho significativo.

A reorganização atômica evita as conhecidas trincas da cerâmica.
[Imagem: Edward L. Pang et al. - 10.1038/s41586-022-05210-1]

Válvulas de alívio de pressão

Uma das aplicações mais imediatas que a equipe está cogitando são as válvulas de alívio de pressão, ou válvulas de segurança, que são acionadas quando um recipiente excede uma certa temperatura crítica, aliviando a pressão e evitando explosões - a panela de pressão na sua cozinha tem uma válvula dessas em pequena escala.

O novo material cerâmico pode agora estender essa capacidade para situações de temperatura muito mais altas do que os materiais atuais podem suportar.

Outra possibilidade de uso está nos atuadores que direcionam o fluxo de ar dentro de um motor a jato. Embora o ambiente geral seja quente, existem vários canais de fluxo de ar sendo controlados, de modo que esses fluxos podem ser usados para acionar uma cerâmica com memória de forma, direcionando ar mais frio ou mais quente no motor, conforme necessário.

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