Novo microscópio desvenda arquitetura atômica oculta em materiais avançados

Pesquisadores da Universidade de Sydney desenvolveram um novo método de microscopia usando átomo tomografia de sonda para explorar mudanças em nível atômico em materiais, prometendo avanços significativos na ciência e engenharia de materiais.

Uma nova técnica de microscopia permite que pesquisadores observem mudanças mínimas na estrutura atômica de materiais cristalinos, como aços avançados usados ​​na construção naval e silício personalizado para eletrônicos. Este método tem o potencial de aumentar nossa compreensão das origens fundamentais das propriedades e comportamento dos materiais.

Em um artigo publicado em Materiais da Naturezapesquisadores da Escola de Engenharia Aeroespacial, Mecânica e Mecatrônica da Universidade de Sydney introduziram uma nova maneira de decodificar as relações atômicas dentro dos materiais.

O avanço pode ajudar no desenvolvimento de ligas mais fortes e leves para a indústria aeroespacial, nova geração semicondutores para eletrônicos e ímãs melhorados para motores elétricos. Também poderia permitir a criação de produtos sustentáveis, eficientes e econômicos.

Técnicas avançadas em tomografia de sonda atômica

O estudo, liderado pelo Pró-Vice-Chanceler (Infraestrutura de Pesquisa) da Universidade de Sydney, Professor Simon Ringer, aproveitou o poder da tomografia de sonda atômica (APT) para desvendar as complexidades da ordem de curto alcance (SRO). O processo SRO é essencial para entender os ambientes atômicos locais essenciais para o desenvolvimento de materiais inovadores que podem sustentar uma nova geração de ligas e semicondutores.

SRO é algumas vezes comparado ao 'genoma de materiais', o arranjo ou configuração de átomos dentro de um cristal. Isso é significativo porque diferentes arranjos atômicos locais influenciam as propriedades eletrônicas, magnéticas, mecânicas, ópticas e outras dos materiais, que têm influência na segurança e funcionalidade de uma gama de produtos.

Imagens atômicas 2D simuladas da sonda atômica. Crédito: University of Sydney

Até agora, a SRO tem sido um desafio para os pesquisadores medirem e quantificarem porque os arranjos atômicos ocorrem em uma escala tão pequena que são difíceis de serem vistos com técnicas de microscopia convencionais.

O novo método usando APT, desenvolvido pela equipe do Professor Ringer, supera esses desafios, abrindo caminho para avanços na ciência dos materiais que podem ter implicações de longo alcance em aços para cascos de navios e silício personalizado para eletrônicos em uma variedade de indústrias.

“Nossa pesquisa representa um avanço significativo na ciência dos materiais”, disse o professor Ringer, engenheiro de materiais da Escola de Engenharia Aeroespacial, Mecânica e Mecatrônica (AMME).

“Além da estrutura e simetria do cristal, queríamos saber mais sobre as relações de vizinhança em escala atômica dentro do cristal — elas são aleatórias ou não aleatórias? Se for o último, queremos quantificar isso. O SRO nos dá essas informações em detalhes, abrindo vastas possibilidades para materiais que são projetados sob medida, átomo por átomo, com arranjos de vizinhança específicos para atingir propriedades desejadas, como resistência.”

O estudo se concentrou em ligas de alta entropia, que são promissoras para diversas aplicações avançadas de engenharia.

Implicações e Pesquisas Futuras

“Essas ligas são objeto de um enorme esforço de pesquisa mundial devido ao interesse em usá-las em situações que exigem resistência a altas temperaturas, como em motores a jato e usinas de energia, bem como para blindagem de irradiação de nêutrons em reatores nucleares, onde a proteção contra danos por radiação é necessária”, disse o professor Ringer.

A equipe usou técnicas avançadas de ciência de dados com base em dados do APT — uma técnica de imagem sofisticada que visualiza átomos em 3D, permitindo que a equipe observe e meça o SRO, comparando como ele muda em ligas sob diferentes condições de processamento.

A pesquisa se concentrou em observações de uma entropia alta de cobalto-cromo-níquel Ligarevelando quão diferente tratamentos térmicos podem alterar o SRO.

“Isso fornece um modelo para estudos futuros nos quais o SRO controla propriedades críticas do material. Há muito mais a fazer em vários aspectos da análise do SRO — é um problema difícil, mas este é um importante passo à frente”, disse o Professor Ringer.

O Dr. Mengwei He, pesquisador de pós-doutorado na Escola de Engenharia Aeroespacial, Mecânica e Mecatrônica, disse:

“A capacidade de medir e entender a ordem de curto alcance transformou nossa abordagem ao design de materiais. Ela nos dá um novo par de olhos para ver como pequenas mudanças na arquitetura de nível atômico podem levar a saltos gigantescos no desempenho dos materiais.”

De modo fundamental, o estudo aprimora as capacidades dos pesquisadores de simular, modelar e, por fim, prever computacionalmente o comportamento dos materiais porque o SRO fornece um projeto detalhado em escala atômica.

O pesquisador sênior de pós-doutorado Dr. Andrew Breen disse: “Demonstramos que há regimes em que o SRO realmente pode ser medido usando tomografia de sonda atômica. Não apenas fomos pioneiros em uma abordagem experimental e estrutura computacional para medir o SRO, como também produzimos uma análise de sensibilidade que limita a faixa precisa de circunstâncias em que tais medições são válidas e onde elas não são válidas.”

O Dr. Will Davids, que concluiu seu doutorado com o Professor Ringer e agora trabalha para a empresa de engenharia Infravue, disse: “Este é um avanço empolgante porque mostramos que as medições de SRO são possíveis em ligas multicomponentes, o que sem dúvida será benéfico para a comunidade de engenharia e ciência de materiais. A comunidade agora vai querer aprender como expandir ainda mais o regime mensurável de SRO, então um grande espaço neste campo de pesquisa acaba de se abrir.”

Referência: “Quantificação da ordem de curto alcance usando tomografia de sonda atômica” por Mengwei He, William J. Davids, Andrew J. Breen e Simon P. Ringer, 2 de julho de 2024, Materiais da Natureza.
DOI: 10.1038/s41563-024-01912-1

A pesquisa foi apoiada pelo Programa Discovery do Conselho de Pesquisa da Austrália (ARC). A equipe também reconhece o apoio do programa Iniciativa de Pesquisa Universitária Multidisciplinar Austrália–EUA (AUSMURI) apoiado pelo Governo Australiano. A equipe reconhece o apoio técnico e científico para experimentos conduzidos nas seguintes instalações de pesquisa: Sydney Microscopy and Microanalysis (SMM), Sydney Analytical, Sydney Informatics Hub e Sydney Manufacturing Hub. O SMM é um nó fundamental da Microscopy Australia, a instalação nacional de microscopia apoiada pelo NCRIS. Esta equipe de pesquisa é composta por todos os membros da Escola de Engenharia Aeroespacial, Mecânica e Mecatrônica da Faculdade de Engenharia e são membros do Centro Australiano de Microscopia e Microanálise. Um pedido de patente do Professor Ringer está parcialmente relacionado a este trabalho.