A formação da banda de cisalhamento normalmente não é um bom sinal em um material - as bandas geralmente aparecem antes de um material fraturar ou falhar. Mas os pesquisadores de ciência e engenharia de materiais da Universidade de Wisconsin-Madison descobriram que as bandas de cisalhamento nem sempre são negativas; sob as condições certas, eles podem melhorar a ductilidade, ou a plasticidade, de um material.

Liderados por Izabela Szlufarska, professora de ciência e engenharia de materiais na UW-Madison, os pesquisadores publicaram detalhes de seu trabalho na revista Nature Materials .

Usando uma combinação de caracterização experimental e simulações, a equipe identificou possíveis estratégias para encorajar bandas de cisalhamento. Isso pode levar a novas maneiras de aumentar a tenacidade de uma ampla gama de materiais.

"Em um artigo anterior , demonstramos que as bandas de cisalhamento em um material chamado samário-cobalto podem ser realmente benéficas", diz Szlufarska. "Isso levou às perguntas: "Quando as bandas de cisalhamento se formam?" e "Quando elas suportam plasticidade versus fratura? Quando você quer evitá-los e quando quer promovê-los?'"

Em materiais com estruturas cristalinas, como metais e cerâmicas, a plasticidade é determinada por pequenas irregularidades estruturais dentro da rede cristalina chamadas deslocamentos. Esses deslocamentos podem se mover através da rede e fornecer alguma elasticidade, o que permite que materiais como metais se dobrem sem romper as ligações em sua estrutura rígida. No entanto, quanto mais esses deslocamentos são travados no lugar, seja por meio de técnicas de endurecimento ou variações estruturais naturais, mais frágil o material se torna.

É por isso que Szlufarska e sua equipe ficaram surpresos ao descobrir que no cobalto de samário, um material intermetálico frágil usado para fazer ímãs fortes, amorfos ou não estruturados, bandas de cisalhamento aumentavam a plasticidade do material e não eram um sinal de falha. Em vez disso, essas áreas agiram como um lubrificante, permitindo que planos de átomos deslizassem uns sobre os outros sem criar uma fratura.

A equipe levantou a hipótese de que esses tipos de bandas de cisalhamento benéficas podem se formar em materiais que transitam facilmente entre as fases cristalina e amorfa. Para testar isso, eles analisaram o samário de alumínio, um material vítreo estudado extensivamente por Szlufarska e seus colegas no Centro de Ciência e Educação de Pesquisa de Materiais da UW-Madison. Usando simulações em nível atômico, o grupo de Szlufarska previu que a forma cristalina desse material também deveria formar bandas de cisalhamento sob tensão. Eles não apenas confirmaram a descoberta em laboratório, mas também variaram a composição atômica do samário de alumínio, fazendo versões onde as bandas de cisalhamento levaram à fratura ou à plasticidade.

Esse entendimento levou a equipe a propor critérios para triagem de novos materiais que possam exibir propriedades semelhantes e para identificar quando as bandas de cisalhamento são benéficas. A esperança é que esses parâmetros tornem possível pesquisar bancos de dados para identificar materiais que possam se beneficiar de dopagem ou engenharia para promover a formação de bandas de cisalhamento.

"Aumentar a tenacidade, ou a quantidade de energia ou estresse que um material pode suportar antes de quebrar, em duas, três ou quatro vezes pode ser realmente poderoso", diz Szlufarska. "Neste artigo, estendemos nossa descoberta a uma nova classe de materiais. Mas isso não é o fim."

A equipe pretende testar materiais estruturais tradicionais como óxidos, carbonetos e boretos para determinar como eles podem ser otimizados.

"Entendemos muito mais sobre como isso acontece e o que procurar", diz Szlufarska. "Acho que identificamos a chave para o design desses materiais e agora queremos levá-los para outras aulas."

Szlufarska também publicou pesquisas relacionadas na revista npj 2D Materials and Applications