Técnica de ruído crepitante ouve nanoquakes em materiais – Physics World

Uma nova técnica de microscopia para medir “ruídos crepitantes” em nanoescala pode ter uma ampla gama de aplicações, desde ajudar os pesquisadores a entender melhor os pontos fracos dos metais até a investigação de estruturas biológicas, como pedras nos rins, para que possam ser destruídas sem a necessidade de grandes cirurgias.

Quando um material é submetido a tensão ou deformação, ele desencadeia uma série de processos atômicos que podem transformar um movimento suave, como uma simples compressão, em uma sequência de movimentos bruscos. O resultado é um fenômeno conhecido como ruído crepitante, que soa mais como o ranger de uma porta, mas ocorre em cascatas semelhantes a avalanches que abrangem muitas escalas de tamanho e seguem leis de potência universais.

“Um caso típico é quando uma compressão produz fissuras que não progridem em uma linha simples, mas apresentam padrões complexos com muitas ramificações, como num relâmpago”, explica Ekhard Salje, um físico do estado sólido da Universidade de Cambridge, Reino Unido, que co-liderou o novo estudo com Jan Seidel da Universidade de Nova Gales do Sul (UNSW) na Austrália. “Quando há muitas fissuras, o material amolece e pode até se desintegrar.”

O ruído crepitante foi estudado pela primeira vez em materiais magnéticos, onde é conhecido como ruído de Barkhausen, em homenagem ao físico alemão que o descobriu em 1919. Agora é usado na ciência dos materiais para investigar metais e ligas; em geofísica para estudar terremotos; e na física do estado sólido para desenvolver dispositivos de memória em materiais ferroicos como BaTiO₃. “Cada vez que a memória é ativada, ela inicia uma avalanche”, explica Salje. “Essa avalanche ajudou os pesquisadores a identificar quais materiais eram bons para dispositivos como comutação de memória.”

Observando todo o espectro de ruído crepitante

No novo trabalho, membros da equipe de Cambridge-UNSW usaram uma técnica baseada em nanoindentação por microscopia de força atômica (AFM). Eles inseriram a sonda AFM de forma extremamente lenta – durante um período de muitas horas – na amostra que estava sendo estudada. Esta inserção lenta é importante porque se a sonda se mover muito rápido, mesmo equipamentos eletrônicos de última geração captarão muitos sinais sobrepostos e, portanto, verão um processo contínuo em vez de solavancos individuais, diz Salje. Esta sobreposição torna difícil identificar sinais individuais de ruído crepitante.

Graças à abordagem paciente, a equipe conseguiu observar pela primeira vez todo o espectro do ruído crepitante e relacioná-lo com formas específicas de avalanche.

Segundo os pesquisadores, a técnica pode ter diversas utilidades. Estas incluem a investigação de ligas especiais para asas de aeronaves; estudar a corrosão em metais para identificar pontos fracos onde o metal quebra em escala atômica; e testar a viabilidade de novos materiais impressos em 3D. Salje diz que está particularmente interessado em estudar materiais biológicos, como ossos e dentes, que emitem ruídos crepitantes. Outro projeto importante, com o Hospital Addenbrooks em Cambridge, é estudar o ruído crepitante nas pedras nos rins.

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“Podemos imaginar construir um tubo com uma agulha na ponta e testar cálculos renais”, explica Salje. “Isso nos ajudaria a descobrir como destruí-los de fora, tendo que recorrer a cirurgias mais invasivas.”

Seidel acrescenta que ele e seus colegas da UNSW planejam usar a técnica para estudar defeitos topológicos em vários materiais funcionais. “Também veremos como melhorar a própria abordagem de medição usando um sistema AFM”, revela. “Neste momento, procuro um novo aluno de doutoramento para dar continuidade a este trabalho, uma vez que o autor principal deste trabalho, que está publicado em Natureza das Comunicações, recentemente me formei no meu grupo.”

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• Fonte: https://physicsworld.com/a/crackling-noise-technique-listens-to-nanoquakes-in-materials/