Têmpera por luz muda metais alterando seus elétrons

Quando é necessário aumentar a dureza e a resistência ao desgaste de um metal ou liga metálica, usa-se um processo chamado têmpera, um tratamento térmico que consiste em aquecer o metal até altas temperaturas, próximas dos 1.000 °C, e então resfriá-lo de modo repentino, mergulhando-o em um líquido de arrefecimento.

A novidade é que dá para fazer isso de modo muito mais simples e gastando menos energia: É só usar a luz.

Sam Azadi e colegas da Universidade de Manchester (Reino Unido) descobriram que, quando metais são expostos a pulsos de laser potentes, seus elétrons aquecem-se quase instantaneamente, atingindo temperaturas extremas, enquanto os próprios átomos permanecem relativamente frios.

Esse reaquecimento eletrônico por si só pode fazer com que os metais alternem entre diferentes estruturas cristalinas em uma fração de picossegundo.

Embora não vá substituir a têmpera tradicional, esta descoberta mostra a possibilidade de usar pulsos de laser ultrarrápidos para alterar os estados estruturais dos materiais, abrindo caminhos para controlar as propriedades dos materiais de maneiras não acessíveis em condições de equilíbrio.

“Nossos resultados sugerem que a entropia eletrônica deve ser considerada um parâmetro de controle termodinâmico por si só. Assim como a pressão externa pode transformar uma estrutura cristalina em outra, uma forte excitação eletrônica pode remodelar o panorama da energia livre e criar fases da matéria inteiramente novas,” afirmou Azadi.

Também se descobriu recentemente que calor demais torna os metais muito mais fortes, em vez de amolecê-los devido à fusão.
[Imagem: Boris Bukovský/Pixabay]

Entropia eletrônica

Na maioria das transições de fase – como na fusão ou rearranjo estrutural – o calor flui através da rede de átomos. Mas, nesta “têmpera por luz”, é outro mecanismo que predomina: A entropia eletrônica, uma medida de como as populações de elétrons se distribuem pelos estados de energia em altas temperaturas.

Ou seja, o comportamento do metal não é impulsionado pelo calor no sentido tradicional, mas por mudanças no seu sistema eletrônico.

Ao modelar 17 metais elementares diferentes, os pesquisadores descobriram que quase todos sofrem uma ou mais transições de fase sólido-sólido impulsionadas puramente por esse efeito eletrônico. Isso significa que os materiais podem mudar de estrutura antes que a estrutura atômica tenha tempo de responder, criando um estado de curta duração, mas fisicamente significativo, governado inteiramente por propriedades eletrônicas.

Uma descoberta fundamental é que o aumento da temperatura eletrônica tende a favorecer estruturas com menor densidade, impulsionado por um efeito conhecido como pressão térmica eletrônica. No entanto, esse comportamento não é universal: Em alguns metais, diferenças sutis na estrutura eletrônica, especialmente na distribuição de elétrons próximos ao nível de Fermi, geram mudanças de fase mais complexas ou inesperadas.

O experimento ajuda a explicar como os metais se comportam em condições extremas de não-equilíbrio, como as criadas em experimentos com laser ou em ambientes de alta energia. Isso poderá ser útil em áreas como eletrônica ultrarrápida, física de altas energias e tecnologias avançadas de fabricação, onde os materiais são rotineiramente levados muito além do equilíbrio.