O segredo magnético do aço não está no ferro, mas no carbono

Segredo magnético do aço

O aço, produzido pela combinação de ferro e carbono, é um dos materiais mais utilizados no mundo, ocupando lugar de destaque há séculos. Assim, qualquer otimização de suas propriedades tem um impacto gigantesco.

Acontece que a conformação da estrutura interna do aço exige temperaturas extremamente altas, razão pela qual sua produção consome tanta energia. Décadas atrás, cientistas observaram que alguns tipos de aço apresentam melhor desempenho quando tratados termicamente na presença de um campo magnético.

Em busca de explicações para esse efeito tão bem-vindo, todos os dedos apontaram imediatamente para o ferro, claro, devido à sua facilidade de magnetização. Mas as explicações se mantiveram fundamentalmente teóricas. E, sem uma compreensão física clara, ainda não contávamos com uma maneira confiável de prever ou controlar o efeito.

Mas há mais mistérios na ciência dos materiais do que sonham nossas vãs teorias, e agora cientistas descobriram que o responsável pelo efeito do magnetismo sobre o comportamento do aço não se deve exatamente aos átomos de ferro, mas sim aos átomos de carbono – mais especificamente, ao movimento dos átomos de carbono.

Esta descoberta deverá ajudar a reduzir a energia necessária para processar o aço, diminuindo os custos de produção e as emissões de CO2. Além do aço, os mesmos princípios podem ser aplicados a outros materiais, permitindo prever quantitativamente como os campos magnéticos influenciam a difusão atômica de forma mais ampla.

Magnetismo e movimento atômico

Em ligas de ferro-carbono, como o aço, os átomos de carbono ocupam pequenas “gaiolas” octaédricas formadas pelos átomos de ferro que ficam à sua volta. Ao simular como os átomos de carbono se movem de uma gaiola para outra, Luke Wirth e Dallas Trinkle, da Universidade de Illinois, os EUA, conseguiram identificar o que faz com que os campos magnéticos interferem com a velocidade desse movimento.

Baseadas em uma abordagem computacional conhecida como média espaço-spin, as simulações levaram em conta tanto a temperatura quanto os campos magnéticos, mostrando como os spins magnéticos dos átomos de ferro se alinham sob diferentes condições. Quando os polos norte e sul de um átomo de ferro se alinham, o átomo torna-se ferromagnético e fortemente magnetizado. Quando não se alinham, o átomo é paramagnético e apenas fracamente magnetizado.

E é aí que entra o papel do carbono: O alinhamento dos spins aumenta a barreira de energia que os átomos de carbono precisam superar para se moverem entre as gaiolas. À medida que a ordem magnética aumenta, a difusão do carbono diminui, fornecendo uma explicação física clara para o efeito observado há tanto tempo.

“É necessário um campo extremamente forte para inverter os momentos magnéticos,” disse Trinkle. “Se você estiver perto da temperatura de Curie, o campo magnético tem um forte efeito… Quando os spins são mais aleatórios, o octaedro (gaiola) na verdade se torna mais isotrópico: Toda a estrutura se abre e tem mais espaço para se mover.”