Os materiais são cruciais para a tecnologia moderna, especialmente aqueles usados em ambientes extremos, como sistemas de energia nuclear e aplicações militares. Esses materiais precisam suportar pressão, temperatura e corrosão intensas. Entender seu comportamento em nível de rede sob tais condições é essencial para desenvolver materiais de próxima geração que sejam mais resilientes, mais baratos, mais leves e sustentáveis.

Cientistas e colaboradores do Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) comprimiram amostras de cristal único do metal zircônio e descobriram que, sob alta pressão, o material se deformava de maneiras surpreendentemente complexas. A pesquisa aparece em dois periódicos, Physical Review Letters e Physical Review B.

Materiais sob condições de alto estresse aliviam tensões de cisalhamento por meio de mecanismos como deslizamento de discordância, geminação cristalográfica, amorfização induzida por cisalhamento, transição de fase e fratura.

"Compreender esses mecanismos microscópicos é vital para o desenvolvimento de modelos preditivos do desempenho dos materiais", disse o cientista Saransh Soderlind, do LLNL, principal autor do estudo na Physical Review Letters.

Todos os metais se deformam plasticamente — isto é, mudam permanentemente sua forma — sob compressão, principalmente devido ao movimento de defeitos chamados discordâncias em certos planos em direções cristalográficas específicas. No caso do zircônio, há complexidade adicional devido a uma mudança na estrutura cristalina com pressão.

A equipe usou difração de raios X in-situ de femtossegundos para observar o comportamento do zircônio monocristalino comprimido a alta pressão em escalas de tempo de nanossegundos. A equipe detectou a presença de desordem atômica, um fenômeno nunca observado em um metal elementar, e descobriu múltiplos caminhos para a transformação da estrutura cristalina, outra observação inédita.

Essa desordem e essas vias de transição de múltiplas fases não foram observadas em zircônio policristalino, aumentando a novidade do estudo. Simulações de dinâmica molecular de vários milhões de átomos usando um potencial aprendido por máquina corroboraram as observações experimentais do estudo.

"Essas descobertas revelam um quadro mais intrincado de deformação em metais sob condições extremas do que se entendia anteriormente. Essa rica tapeçaria de movimentos atômicos é provavelmente comum em outros materiais em altas pressões", disse o cientista do LLNL Raymond Smith.

Ligas de zircônio são usadas na indústria nuclear como revestimento de barras de combustível devido à alta resistência do zircônio e à baixa seção transversal de absorção de nêutrons. Também é amplamente usado em ambientes químicos extremos.