Crean el material más duro del planeta

Cuando se diseñan materiales para construcción en laboratorio, por lo regular se busca que sean fuertes, pero también dúctiles y resistentes a las fracturas, obteniendo un equilibrio entre estas propiedades. En esta ocasión, un equipo internacional encabezado por investigadores de la Universidad de Bristol, Reino Unido, el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y el Laboratorio Nacional Oak Ridge, ambos en EE UU, obtuvieron un material que combina ambas propiedades, aunque en lugar de volverse quebradizo a bajas temperaturas, se vuelve más resistente.

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¿Cómo lo crearon?

Todo ocurrió mientras se investigaba una aleación metálica hecha de cromo, cobalto y níquel (CrCoNi), una clase de metales llamados aleaciones de alta entropía (AAE). Todas las aleaciones en uso actualmente contienen un elemento con una proporción más alta, mientras los elementos adicionales tienen cantidades más bajas. Las AAE, en cambio, están hechas de una mezcla con las mismas proporciones de cada elemento que los integra. Estas “recetas equilibradas” a nivel atómico parecen otorgar a algunos de estos materiales una combinación extraordinariamente alta de resistencia y ductilidad cuando se someten a grandes esfuerzos, lo que en conjunto se denomina tenacidad. Las AAE han sido un área de investigación importante desde que se desarrollaron por primera vez hace unos 20 años, pero la tecnología necesaria para llevar los materiales al límite en pruebas extremas no estuvo disponible hasta hace poco.

El trabajo de este equipo científico inició hace diez años, cuando comenzaron a experimentar con CrCoNi y otra aleación que también contiene hierro y manganeso (CrMnFeCoNi). Crearon muestras de distintas aleaciones que luego sometieron a temperaturas extremadamente bajas con nitrógeno líquido (alrededor de -196 °C) y descubrieron que estas obtenían una fuerza y ​​dureza impresionantes. Inmediatamente quisieron continuar su trabajo con pruebas en distintos rangos de temperatura de helio líquido, pero en aquel entonces no existían instalaciones y equipo que permitieran probar las muestras en un ambiente tan frío. Así que para analizar lo que sucede en esta clase de materiales a nivel atómico les tomó una década de pruebas.

¿Qué propiedades tiene?

Muchas sustancias sólidas, incluidos los metales, existen en forma cristalina caracterizada por un patrón atómico 3D repetitivo, llamado “celda unitaria”, que forma una estructura más grande llamada “red”. La fuerza y ​​tenacidad del material, o la falta de ellas, provienen de las propiedades físicas de dicha red.

Ningún cristal es perfecto, por lo que las celdas unitarias en un material inevitablemente contendrán «defectos» llamados dislocaciones, los límites donde la red no deformada se encuentra con la red deformada. Cuando se aplica fuerza al material (por ejemplo, cuando se dobla una cuchara de metal), el cambio de forma se logra mediante el movimiento de dislocaciones a través de la red. Cuanto más fácil es que se muevan las dislocaciones, más suave es el material. Pero si el movimiento de las dislocaciones está bloqueado por obstáculos en forma de irregularidades reticulares, entonces se requiere más fuerza para mover los átomos dentro de la dislocación y el material se vuelve más fuerte. Por otro lado, los obstáculos suelen hacer que el material sea más frágil, propenso a agrietarse.

Para comparar, tenemos que la dureza de una pieza de silicio es de 1 Pascal por metro cuadrado (Pam/m²); la estructura de aluminio de los aviones de pasajeros es de alrededor de 35 Pam/m²  y la dureza de algunos de los mejores aceros es de alrededor de 100 Pam/m². La dureza de este material, cuando se le expone a temperaturas de helio líquido (-253 °C) es tan alta como 500 megapascales por metro cuadrado.

Ahora que se comprende mejor el funcionamiento interno de la aleación CrCoNi, esta y otras AAE están un paso más cerca de su adopción para aplicaciones especiales. Aunque estos materiales son costosos de crear, se prevén usos en situaciones en las que los ambientes extremos podrían destruir aleaciones metálicas estándar, como en las gélidas temperaturas del espacio profundo. Ahora se está investigando cómo se podría manejar aleaciones hechas de elementos más abundantes y menos costosos, como el cobalto y el níquel (con gran demanda en la industria de las baterías) para que tengan propiedades similares.

La investigación “Tenacidad excepcional a la fractura de aleaciones de entropía media y alta basadas en CrCoNi a 20° kelvin”, encabezada por el doctor Dong Liu, de la Escuela de Física de la Universidad de Bristol, fue publicada en la revista Science el 1 de diciembre de 2022.

Con información de: newscenter.lbl.gov y www.science.org

Foto: Internet

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