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Fase beta do titânio

As ligas de titânio (Ti) do tipo beta(β) são conhecidas por sua resistência, conformabilidade e resistência a ambientes agressivos. Isto, juntamente com a sua excelente biocompatibilidade, tornou-as matérias-primas adequadas para a fabricação de implantes e próteses, desde a substituição de articulações até stents.

A fase beta se refere a uma das estruturas cristalinas que uma substância pode apresentar em diferentes faixas de temperatura. No caso específico do titânio, a fase beta se caracteriza por uma estabilidade até 1668 ºC, contra 882 ºC do titânio puro, além de maior ductilidade e maior tenacidade. Essa fase é obtida mediante a adição de elementos como vanádio (V), nióbio (Nb), molibdênio (Mo) e tântalo (Ta).

No entanto, sob certas condições, pode formar-se uma fase ômega, muito mais frágil, tornando o material propenso a quebras. Embora se saiba que a adição de estanho (Sn) evite isso e torne as ligas de Ti do tipo β mais fortes, a mecânica exata por trás disso continuava sendo um ponto de discussão entre os cientistas.

Isso até agora, uma vez que Norihiko Okamoto e colegas da Universidade de Tohoku, no Japão, descobriram como isso ocorre. A descoberta veio por meio de uma investigação sistemática usando modelos de ligas de titânio-vanádio (Ti-V), envolvendo uma combinação de experimentos e análises teóricas.

"Nossas descobertas revelaram que a interação multielementar entre Ti, V e Sn, juntamente com o efeito de ancoragem dos átomos de Sn, trabalham juntos para suprimir completamente a formação da fase ômega prejudicial, exemplificando o chamado efeito coquetel," explicou o professor Tetsu Ichitsubo, coordenador da equipe.

A descoberta ajudará a melhorar as ligas de titânio para inúmeras aplicações.
[Imagem: Norihiko L. Okamoto et al. - 10.1016/j.actamat.2024.119968]

Efeito coquetel

Assim como misturar várias bebidas com habilidade resulta em um coquetel mais delicioso do que cada bebida por si só, o efeito coquetel no campo metalúrgico se refere ao fenômeno em que a mistura de múltiplos componentes elementares, em proporções bem equilibradas, pode levar a propriedades superiores, frequentemente além das expectativas.

"Este efeito coquetel é um excelente exemplo dos fenômenos observados em materiais de alta entropia, destacando a importância de considerar as interações multielementares no projeto das ligas [metálicas]," disse Okamoto. "Esta descoberta ressalta a importância de levar em conta as interações multielementares, não apenas para biomateriais, mas também no contexto mais amplo do projeto de ligas."

Compreender os detalhes precisos do fortalecimento das ligas de titânio do tipo β ajudará a melhorar os implantes médicos de titânio, que fornecem um suporte inestimável para pessoas que sofrem de doenças ósseas degenerativas ou para populações idosas, além das naturais aplicações industriais do metal, sobretudo no setor aeroespacial.