Os metais são um dos materiais mais duráveis e versáteis conhecidos pelo homem. Durante séculos, diferentes metais e ligas têm sido usados em um amplo espectro de aplicações em vários setores, incluindo as indústrias automotiva, biomédica, militar, eletrônica e de petróleo e gás. Sua popularidade é atribuída principalmente à sua capacidade de resistir a condições adversas, como altas temperaturas e pressões.
Apesar de suas muitas propriedades desejáveis, sua suscetibilidade à corrosão continua sendo uma grande preocupação. Essa corrosão pode deteriorar substancialmente os metais, resultando em perda de espessura, diminuição da capacidade de carga, rachaduras e falhas estruturais. (Para obter mais informações sobre esses tópicos, leia Por que entender o fator de concentração de tensão (Kt) é importante ao avaliar a corrosão em metais estruturais.)
No entanto, pesquisadores do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT) descobriram que certos óxidos metálicos, quando aplicados em camadas suficientemente finas, possuem propriedades distintas que oferecem níveis superiores de resistência à corrosão em comparação com outros óxidos. Esses óxidos especiais foram chamados de óxidos metálicos auto-regenerativos.
Como funcionam os óxidos metálicos autorregenerativos?
Para entender como os óxidos metálicos autorreparadores funcionam, é essencial entender primeiro o processo de oxidação do metal e como ele se relaciona com a resistência à corrosão.
A maioria dos metais, com exceção do ouro, quando expostos à umidade e ao oxigênio sofrem uma reação eletroquímica chamada oxidação. Este processo causa a formação de uma camada de óxido que cobre a superfície do metal. No aço, essa camada de óxido é o óxido de ferro (III) hidratado, comumente conhecido como ferrugem. Em muitos metais, a camada de óxido é quebradiça e lasca facilmente, expondo assim mais metal ao ar e à umidade para criar mais ferrugem. Este ciclo contínuo gradualmente consome e deteriora o metal.
Porém, em metais específicos, essa camada de óxido é durável e adere fortemente à superfície, formando assim uma barreira protetora. Essa barreira protetora atua como um escudo que bloqueia a entrada de ar e umidade, evitando assim mais corrosão. Três óxidos metálicos conhecidos por oferecer proteção de barreira são óxido de alumínio, óxido de cromo e dióxido de silício. Esses óxidos são comumente usados como compostos primários em várias tintas e revestimentos anticorrosivos.
Embora esses óxidos fossem amplamente aceitos por fornecer resistência superior à corrosão, não foi até que os cientistas do MIT os observaram usando instrumentos altamente especializados que o comportamento desses óxidos auto-reparadores foi totalmente compreendido, principalmente quando pressionados pela pressão.
A equipe do MIT usou uma versão modificada de um microscópio eletrônico de transmissão (TEM), chamado microscópio eletrônico de transmissão ambiental (E-TEM). Esse aparato permitiu à equipe observar amostras de teste na presença de gases ou líquidos, ao contrário dos métodos de teste convencionais que exigem condições de vácuo. Usando o E-TEM, os pesquisadores foram capazes de simular condições que promovem rachaduras por corrosão sob tensão e testar como esses óxidos protegem substratos metálicos expostos ao oxigênio sob estresse mecânico.
Na maioria dos casos, a deflexão da superfície metálica devido à presença de pressão pode levar à formação de rachaduras na camada protetora. Como resultado, o oxigênio penetra na barreira de óxido e entra em contato com o substrato de metal nu para causar mais corrosão. Os pesquisadores do MIT, usando a resolução de nível microscópico do E-TEM, determinaram que o conhecido material de revestimento, óxido de alumínio, poderia resolver as deficiências dos revestimentos protetores tradicionais. Verificou-se que em camadas finas de aproximadamente 2 a 3 nanômetros de espessura, o óxido de alumínio, apesar de ser sólido, pode apresentar um comportamento de fluxo semelhante ao líquido.
Esse atributo permite que a camada de óxido de alumínio se alongue à medida que o metal se deforma sob pressão, mantendo o substrato metálico coberto e evitando a intrusão de oxigênio. Verificou-se que este fino revestimento de óxido não tem limites de grão e pode ser esticado até o dobro do seu comprimento sem desenvolver trincas, mesmo sob tensão de alongamento. Isso contrasta com aplicações mais espessas de óxido de alumínio, que é conhecido por quebrar sob tensão devido à sua natureza frágil.
Aplicações de óxidos auto-reparadores
Os óxidos metálicos autorreparáveis, como o óxido de alumínio, podem ajudar a prevenir a corrosão em aplicações onde a deformação das superfícies metálicas pode causar rachaduras nos óxidos metálicos frágeis, deixando o substrato vulnerável ao ataque de corrosão. Em camadas suficientemente finas, o óxido de alumínio se estende para preencher vazios e rachaduras à medida que se formam. Isso é especialmente útil em vasos de reatores, onde as paredes da estrutura estão constantemente expostas ao vapor superaquecido e estão sujeitas a pressões internas.
Como as finas camadas de óxido de alumínio não racham com facilidade e não possuem limites de grão, elas também podem ser usadas para impedir a difusão de moléculas através dos metais, como aconteceria com o hidrogênio em carros movidos a células de combustível ou o trítio radioativo nos núcleos de usinas nucleares. Esta aplicação pode criar ambientes de trabalho mais seguros porque tais vazamentos podem criar condições perigosas para os operadores e consumidores da planta. Além disso, os óxidos de alumínio auto-reparadores podem aumentar a lucratividade das operações da fábrica, reduzindo a necessidade de substituição frequente de máquinas e equipamentos caros.
No entanto, o óxido de alumínio autorreparador deve ser aplicado em uma camada fina o suficiente para atingir esse comportamento líquido/dúctil. As camadas mais espessas, embora eficazes contra outros tipos de corrosão, podem se tornar quebradiças e rachar quando deformadas devido à corrosão sob tensão. (Os revestimentos metálicos em geral são discutidos em Como os revestimentos metálicos protegem os metais da corrosão.)
Conclusão
O que diferencia os óxidos metálicos autorreparáveis dos óxidos metálicos típicos é sua capacidade de exibir propriedades de fluxo semelhantes a fluidos. Ao contrário do comportamento frágil de muitos óxidos metálicos, os óxidos autorreparadores se esticam ou alongam junto com o metal revestido, mantendo o substrato metálico coberto sem desenvolver rachaduras. Isso o torna especialmente útil em aplicações em que os componentes metálicos são suscetíveis à corrosão intergranular e à corrosão sob tensão.