Detalles atómicos en 3D de aleaciones de próxima generación revelados por primera vez

Las aleaciones, que son materiales como el acero que se obtienen combinando dos o más elementos metálicos, se encuentran entre los pilares de la vida contemporánea. Son esenciales para edificios, transporte, electrodomésticos y herramientas, incluido, muy probablemente, el dispositivo que estás utilizando para leer esta historia. Al aplicar aleaciones, los ingenieros se han enfrentado a un antiguo compromiso común en la mayoría de los materiales: las aleaciones duras tienden a ser quebradizas y se rompen bajo tensión, mientras que las que son flexibles bajo tensión tienden a abollarse fácilmente.

El mapa atómico de una nanopartícula de aleación de alta entropía muestra diferentes categorías de elementos en rojo, azul y verde, y límites de hermanamiento en amarillo. Crédito de la imagen: Miao Lab/UCLA

Las posibilidades de evitar ese compromiso surgieron hace unos 20 años, cuando los investigadores desarrollaron por primera vez aleaciones de entropía media y alta, materiales estables que combinan dureza y flexibilidad de una manera que las aleaciones convencionales no lo hacen. (La “entropía” en el nombre indica cuán desordenada es la mezcla de los elementos en las aleaciones).

Ahora, un equipo de investigación dirigido por la UCLA ha proporcionado una visión sin precedentes de la estructura y las características de las aleaciones de media y alta entropía. Utilizando una técnica de imagen avanzada, el equipo mapeó, por primera vez, las coordenadas atómicas tridimensionales de tales aleaciones. En otra novedad científica para cualquier material, los investigadores correlacionaron la mezcla de elementos con defectos estructurales.

«Las aleaciones de media y alta entropía habían sido fotografiadas previamente a escala atómica en proyecciones 2D, pero este estudio representa la primera vez que se observa directamente su orden atómico 3D», dijo el autor correspondiente Jianwei «John» Miao, profesor de física en el Universidad de la UCLA y miembro de la Instituto de Nanosistemas de California en UCLA. «Encontramos una nueva perilla que se puede girar para aumentar la dureza y flexibilidad de las aleaciones».

Las aleaciones de entropía media combinan tres o cuatro metales en cantidades aproximadamente iguales; Las aleaciones de alta entropía combinan cinco o más de la misma manera. Por el contrario, las aleaciones convencionales son en su mayoría de un metal con otros mezclados en proporciones más bajas. (El acero inoxidable, por ejemplo, puede contener tres cuartas partes o más de hierro).

Para comprender los hallazgos de los científicos, pensemos en un herrero forjando una espada. Ese trabajo se guía por el hecho contrario a la intuición de que pequeños defectos estructurales en realidad hacen que los metales y las aleaciones sean más resistentes. A medida que el herrero calienta repetidamente una barra de metal suave y flexible hasta que brilla y luego la apaga en agua, se acumulan defectos estructurales que ayudan a convertir la barra en una espada inquebrantable.

Miao y sus colegas se centraron en un tipo de defecto estructural llamado límite gemelo, que se entiende como un factor clave en la combinación única de dureza y flexibilidad de las aleaciones de media y alta entropía. La macla ocurre cuando la tensión hace que una sección de una matriz cristalina se doble en diagonal mientras los átomos a su alrededor permanecen en su configuración original, formando imágenes especulares a cada lado del límite.

Los investigadores utilizaron una variedad de metales para fabricar nanopartículas, tan pequeñas que pueden medirse en milmillonésimas de metro. Seis nanopartículas de aleación de entropía media combinaron níquel, paladio y platino. Cuatro nanopartículas de una aleación de alta entropía combinaron cobalto, níquel, rutenio, rodio, paladio, plata, iridio y platino.

El proceso para crear estas aleaciones se asemeja a una versión extrema (y extremadamente rápida) de la tarea del herrero. Los científicos licuaron el metal a más de 2.000 grados Fahrenheit durante cinco centésimas de segundo y luego lo enfriaron en menos de una décima parte de ese tiempo. La idea es fijar la aleación sólida en la misma mezcla variada de elementos que un líquido. En el camino, el impacto del proceso indujo límites gemelos en seis de las 10 nanopartículas; cuatro de ellos tenían cada uno un par de gemelos.

Identificar los defectos requirió una técnica de imágenes que desarrollaron los investigadores, llamada tomografía electrónica atómica. La técnica utiliza electrones porque los detalles a nivel atómico son mucho más pequeños que las longitudes de onda de la luz visible. Los datos resultantes se pueden mapear en 3D porque se capturan múltiples imágenes a medida que se gira una muestra. Ajustar la tomografía electrónica atómica para mapear las mezclas complejas de metales fue un esfuerzo minucioso.

«Nuestro objetivo es encontrar la verdad en la naturaleza y nuestras mediciones tienen que ser lo más precisas posible», dijo Miao, quien también es subdirector del STROBE Centro de Ciencia y Tecnología de la Fundación Nacional de Ciencias. «Trabajamos lentamente, superando el límite para que cada paso del proceso fuera lo más perfecto posible, y luego pasamos al siguiente».

Los científicos mapearon cada átomo en las nanopartículas de aleación de entropía media. Algunos de los metales de la aleación de alta entropía eran demasiado similares en tamaño para que la microscopía electrónica pudiera diferenciarlos. Entonces el mapa de esas nanopartículas agrupó los átomos en tres categorías.

Los investigadores observaron que cuanto más se mezclan átomos de diferentes elementos (o diferentes categorías de elementos), es más probable que la estructura de la aleación cambie de una manera que contribuya a igualar la dureza con la flexibilidad. Los hallazgos podrían informar el diseño de aleaciones de entropía media y alta con mayor durabilidad e incluso desbloquear propiedades potenciales que actualmente no se ven en el acero y otras aleaciones convencionales mediante la ingeniería de la mezcla de ciertos elementos.

«El problema con el estudio de materiales defectuosos es que hay que observar cada defecto individual por separado para saber realmente cómo afecta a los átomos circundantes», dijo el coautor Peter Ercius, científico de la Fundición Molecular del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley. “La tomografía electrónica atómica es la única técnica con la resolución para hacerlo. Es simplemente sorprendente que podamos ver disposiciones atómicas mezcladas a esta escala dentro de objetos tan pequeños”.

Miao y sus colegas están desarrollando ahora un nuevo método de obtención de imágenes que combina la microscopía electrónica atómica con una técnica para identificar la composición de una muestra en función de los fotones que emite, con el fin de distinguir entre metales con átomos de tamaño similar. También están desarrollando formas de examinar aleaciones masivas de entropía media y alta y de comprender las relaciones fundamentales entre sus estructuras y propiedades.

El El estudio se publicó el 20 de diciembre. en la revista Naturaleza.

Los coautores del estudio son Saman Moniri, ex becario postdoctoral de UCLA; Yao Yang, quien obtuvo un doctorado de UCLA en 2021; y Jun Ding de la Universidad Xi’an Jiaotong en China. Otros coautores son los académicos postdoctorales de UCLA Yuxuan Liao; los ex becarios postdoctorales de UCLA Yakun Yuan, Jihan Zhou, Long Yang y Fan Zhu; y Yonggang Yao y Liangbing Hu de la Universidad de Maryland, College Park.

El estudio fue apoyado por el Departamento de Energía de Estados Unidos. El experimento se realizó en la Molecular Foundry del Berkeley Lab, también patrocinada por el DOE.

Fuente: UCLA