Novo modelo torna mais fácil prever a cristalização de partículas vítreas

Estudo feito por pesquisadores do CeRTEV – centro de pesquisa apoiado pela FAPESP – pode ser útil para o desenvolvimento de novos materiais vitrificáveis e para a determinação da estabilidade de vidros durante o uso

Elton Alisson, de São Carlos (SP)  |  Agência FAPESP – Um novo modelo teórico que permite descrever melhor e prever a velocidade de cristalização de partículas vítreas foi desenvolvido por cientistas do Centro de Pesquisa, Educação e Inovação em Vidros (CeRTEV).

O trabalho, publicado na revista Acta Materialia, pode ser útil para o desenvolvimento de novos materiais vitrificáveis e para a determinação da estabilidade de vidros durante o uso. Isso ajudaria a evitar, por exemplo, a cristalização descontrolada de um vidro usado em um forno de cozinha durante o aquecimento, causando o estilhace.

Como explica Edgar Dutra Zanotto, professor da Universidade Federal de São Carlos (UFSCar) e coordenador do CeRTEV, a cristalização é um fator crítico na produção de vidros e de materiais vitrocerâmicos.

“Na produção de vidros, é importante entender a cristalização para evitá-la, de modo a permitir que o material se torne rígido, sem cristalizar. Por outro lado, é possível induzir e controlar a cristalização em vidros especiais, por meio de tratamentos térmicos, para produzir materiais vitrocerâmicos, que são parcialmente cristalizados”, disse.

A cristalização controlada de materiais vitrocerâmicos possibilita a formação de microestruturas com certas propriedades, como alta resistência, e diversas aplicações, como em substratos de discos rígidos de computadores pessoais, cooktops de cozinha, espelhos telescópicos e dentes artificiais.

O estudo receberá o prêmio Spriggs Phase Equilibria, concedido anualmente pela American Ceramic Society (ACerS) à contribuição mais valiosa no campo das relações de estabilidade de fases – fenômeno central na ciência e engenharia de materiais. A entrega do prêmio ocorrerá em setembro durante a 121ª Reunião Anual da ACerS, na cidade de Portland, nos Estados Unidos.

Raphael Reis, que fez doutorado em engenharia de materiais na UFSCar e atualmente é professor na Universidade Federal Fluminense (UFF), também participou do desenvolvimento do modelo.

“Nosso grupo de pesquisa acadêmica no CeRTEV é um dos cinco maiores do mundo em vidros e temos estudado, entre outros temas, a nucleação e a cristalização desses materiais”, disse Zanotto em palestra apresentada na primeira edição do Simpósio de Pesquisa e Inovação em Materiais Funcionais, promovido pelo Centro de Desenvolvimento de Materiais Funcionais (CDMF) nos dias 23 e 24 maio na UFSCar.

O CDMF e o CeRTEV são Centros de Pesquisa, Inovação e Difusão (CEPIDs) apoiados pela FAPESP.

De acordo com Zanotto, a cristalização é iniciada a partir da nucleação de cristais na superfície ou no interior das partículas de um vidro ao submeter o material a altas temperaturas por um tempo definido.

Há 60 anos, começaram a ser desenvolvidos modelos teóricos desse fenômeno. Um desses modelos propôs que cristais cúbicos espaçados crescem regularmente a partir da superfície das partículas do vidro e, uma vez que uma camada totalmente cristalina é formada, os cristais só podem crescer em direção ao centro da partícula.

Apesar de sua importância, esses modelos são matematicamente complexos e requerem soluções baseadas em métodos numéricos (computacionais), o que torna difícil utilizá-los, explicou Zanotto.

A fim de superar essas barreiras, os pesquisadores desenvolveram um novo modelo para descrever o fenômeno da cristalização em condições não isotérmicas – em temperatura inconstante – a partir dos locais de nucleação na superfície ou no interior de partículas vítreas.

“O nosso modelo é baseado em uma equação muito simples, o que facilita muito seu uso e a interpretação dos resultados, e descreve de forma muito acurada a cristalização em condições não isotérmicas”, disse Zanotto.

Os pesquisadores testaram o novo modelo para avaliar a cristalização a partir de um número finito de cristais na superfície de partículas de vidro de diopsida – composto por silicato de cálcio e magnésio – e na superfície e no interior, simultaneamente, de partículas de dissilicato de lítio. Para isso usaram uma técnica chamada calorimetria exploratória diferencial, que permite identificar transições vítreas e cristalização.

Os resultados do novo modelo foram comparados com os anteriores, mais complexos, com base em três parâmetros: o número de núcleos na superfície, o número de núcleos internos e o tempo.

Os resultados das comparações indicaram que, com uma equação analítica muito mais simples, o novo modelo forneceu resultados semelhantes aos dos modelos complexos.

Os pesquisadores estimam que o novo modelo possa fornecer uma aproximação mais realista para partículas que sinterizam – se aglutinam por aquecimento em temperaturas abaixo da temperatura de fusão – durante uma transformação de fase, como as partículas vítreas que cristalizam simultaneamente durante a sinterização.

Além disso, o novo modelo também pode ser usado para prever transformações a partir dos limites de grãos em materiais policristalinos, como os vitrocerâmicos.

"Modelos teóricos, como o que desenvolvemos, são importantes porque ajudam a entender fenômenos e a fazer previsões sem a necessidade de realizar experimentos”, disse Zanotto.

O artigo Simple model for particle phase transformation kinetics (DOI: 10.1016/j.actamat.2018.05.039), de Raphael M. C. V. Reis e Edgar D. Zanotto, pode ser lido por assinantes da revista Acta Materialia em www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1359645418303999.