ZAP // Dall-E-2
Uma nova investigação descobriu o efeito dos campos magnéticos no movimento do carbono, o que pode permitir fazer aço de forma mais eficiente e barata. A abordagem pode também ser aplicada a outros materiais.
Investigadores da Universidade de Illinois Urbana-Champaign identificaram o primeiro mecanismo físico detalhado que explica como os campos magnéticos abrandam o movimento dos átomos de carbono dentro do ferro.
A descoberta, publicada na revista Physical Review Letters, esclarece um fenómeno observado há décadas, mas nunca totalmente compreendido, e pode levar a uma produção de aço mais eficiente em termos energéticos.
O aço, uma liga de ferro e carbono, é um dos materiais de construção mais utilizados no mundo. A sua resistência e durabilidade dependem muito da sua estrutura interna de grão, que é geralmente controlada através de processos de tratamento térmico que exigem temperaturas extremamente elevadas e consomem grandes quantidades de energia. Durante anos, os cientistas sabiam que a aplicação de campos magnéticos durante o tratamento térmico pode melhorar o desempenho do aço, mas a razão permanecia obscura.
“As explicações anteriores eram, na melhor das hipóteses, fenomenológicas”, disse Dallas Trinkle, autor sénior do estudo e professor Ivan Racheff de Ciência e Engenharia de Materiais. “Não havia nada de preditivo nelaso que limita a sua utilidade para o desenvolvimento de novos materiais.”
Para ir além das teorias baseadas na observação, os autores propuseram-se a identificar uma explicação mensurávelbaseada na física. Com o apoio do Departamento de Energia dos EUA, a equipa focou-se na forma como os átomos de carbono se difundem através do ferro à escala atómica quando expostos a campos magnéticos, explica o CiênciaTecnologia Diária.
No aço, os átomos de carbono estão dentro de minúsculas “gaiolas” octaédricas formadas pelos átomos de ferro circundantes. Os investigadores utilizaram simulações computacionais avançadas para modelar como o carbono se move entre estas gaiolas sob diferentes condições magnéticas e de temperatura. Os cientistas recorreram ainda a uma técnica conhecida por média de spin-espaço, que permitiu simular o comportamento dos “spins” magnéticos dos átomos de ferro.
Os átomos de ferro podem ser ferromagnéticos e ter os spins alinhados ou paramagnéticos, em que os spins estão orientados de forma mais aleatória. As simulações revelaram que, quando a ordem magnética aumenta e os spins se alinham, a barreira de energia para a difusão do carbono também aumenta. Na prática, um alinhamento magnético mais forte dificulta o movimento dos átomos de carbono.
“Quando os spins são mais aleatórios, a gaiola torna-se mais isotrópica e abre-se”, explicou Trinkle. “Isto dá ao carbono mais espaço para se mover. A ordem magnética faz o contrário.”
Esta descoberta fornece a primeira explicação quantitativa de como os campos magnéticos influenciam a difusão do carbono no ferro. É importante realçar que o efeito é mais forte perto da temperatura de Curieonde o ferro transita entre estados magnéticos e se torna particularmente sensível a campos magnéticos externos.
As implicações podem ser significativas. Ao utilizar campos magnéticos para controlar o movimento do carbono, os fabricantes podem conseguir alcançar as propriedades desejadas do aço a temperaturas mais baixas, reduzindo o consumo de energiaos custos e as emissões de carbono. Trinkle acredita também que a abordagem pode ser estendida a outras ligas e materiais.
“Agora que podemos fazer cálculos reais, podemos começar a pensar na engenharia de ligas de forma mais inteligente”, disse. “Isto pode significar otimizar os aços existentes ou até mesmo conceber composições químicas de ligas completamente novas”.