De herreros a líneas de luz: las revelaciones atómicas 3D transforman la ingeniería de aleaciones

por Hiroshi Tanaka
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Alloy Engineering

La innovadora investigación realizada por científicos de la Universidad de California en Los Ángeles (UCLA) ha marcado el comienzo de una nueva era en la ingeniería de aleaciones. Este estudio pionero marca el primer mapeo tridimensional de aleaciones de media y alta entropía, un desarrollo que tiene el potencial de revolucionar el campo al mejorar la dureza y flexibilidad de estos materiales.

Las aleaciones, como el acero, que resultan de la combinación de dos o más elementos metálicos, juegan un papel fundamental en la vida moderna. Son esenciales para la construcción de edificios, transporte, electrodomésticos y herramientas, incluido el mismo dispositivo que utiliza para acceder a esta información. Los ingenieros han luchado durante mucho tiempo con una compensación clásica en cuanto a materiales: las aleaciones duras tienden a ser quebradizas y propensas a romperse bajo tensión, mientras que las flexibles son susceptibles a abollarse.

Hace aproximadamente dos décadas, la posibilidad de eludir este compromiso surgió con el desarrollo de aleaciones de media y alta entropía. Estos nuevos materiales ofrecen una combinación única de dureza y flexibilidad que no se encuentran en las aleaciones tradicionales. El término "entropía" en su nombre denota el nivel de desorden en la mezcla de elementos dentro de estas aleaciones.

En una hazaña innovadora, 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. Aprovechando técnicas de imagen avanzadas, lograron el primer mapeo tridimensional de las coordenadas atómicas dentro de estas aleaciones. Además, correlacionaron con éxito la mezcla de elementos con defectos estructurales, un avance científico en la ciencia de los materiales.

Las aleaciones de entropía media combinan tres o cuatro metales en proporciones aproximadamente iguales, mientras que las aleaciones de entropía alta combinan cinco o más metales de manera similar. Esto contrasta marcadamente con las aleaciones convencionales, que se componen predominantemente de un metal con otros elementos presentes en proporciones más bajas. Para ilustrar la importancia de la investigación, consideremos un herrero forjando una espada. Sorprendentemente, pequeños defectos estructurales hacen que los metales y las aleaciones sean más resistentes. A medida que el herrero calienta repetidamente una barra de metal maleable hasta que brilla y luego la enfría rápidamente, se acumulan defectos estructurales, transformando la barra en una espada robusta.

El equipo de investigación se centró en un tipo particular de defecto estructural llamado límite gemelo, conocido por ser un factor crucial en la combinación excepcional de dureza y flexibilidad que exhiben las aleaciones de media y alta entropía. La macla se produce cuando la tensión hace que una sección de una matriz cristalina se doble en diagonal mientras los átomos circundantes mantienen su disposición original, lo que da como resultado imágenes especulares a ambos lados del límite.

La creación de estas aleaciones innovadoras implicó un proceso extraordinario y rápido que recuerda al oficio del herrero. Los científicos fundieron el metal a temperaturas superiores a los 2.000 grados Fahrenheit durante una fracción de segundo y luego lo enfriaron rápidamente. El objetivo era solidificar la aleación con la misma mezcla diversa de elementos que en su estado líquido. Este proceso indujo límites gemelos en seis de cada diez nanopartículas, y cuatro de ellas tenían cada una un par de gemelos.

Identificar estos defectos requirió el desarrollo de una técnica de imagen especializada llamada tomografía electrónica atómica, que utiliza electrones debido a que los detalles a nivel atómico son mucho más pequeños que las longitudes de onda de la luz visible. Los datos resultantes se mapearon en tres dimensiones capturando múltiples imágenes a medida que se rotaba la muestra. Ajustar la tomografía electrónica atómica para manejar mezclas complejas de metales fue un esfuerzo meticuloso.

Los investigadores mapearon meticulosamente cada átomo dentro de las nanopartículas de aleación de entropía media. Sin embargo, algunos de los metales de la aleación de alta entropía eran tan similares en tamaño que la microscopía electrónica no podía distinguirlos. En consecuencia, el mapa de estas nanopartículas agrupó los átomos en tres categorías.

Los hallazgos de la investigación revelaron que cuantos más átomos de diferentes elementos (o categorías de elementos) se mezclen, mayor será la probabilidad de que la estructura de la aleación cambie de una manera que mejore su dureza y flexibilidad. Estos hallazgos tienen el potencial de informar el diseño de aleaciones de media y alta entropía, impartiendo mayor durabilidad y desbloqueando propiedades que aún no se han logrado en el acero y las aleaciones tradicionales a través de la ingeniería estratégica de mezclas de elementos.

El estudio de materiales defectuosos normalmente requiere el examen de cada defecto individual para comprender su impacto en los átomos circundantes. La tomografía electrónica atómica es la única técnica con la resolución necesaria para conseguirlo. La capacidad de observar intrincadas disposiciones atómicas dentro de objetos tan minúsculos es realmente notable.

Para ampliar su investigación, Miao y sus colegas están desarrollando un nuevo método de obtención de imágenes que combina la microscopía electrónica atómica con una técnica para identificar la composición de una muestra basándose en los fotones emitidos. Esto permitirá diferenciar metales con átomos de tamaños similares. Además, están trabajando en formas de investigar aleaciones masivas de entropía media y alta y de desentrañar las relaciones fundamentales entre sus estructuras y propiedades.

Este innovador estudio se publicó en la prestigiosa revista Nature el 20 de diciembre de 2023. Fue posible gracias al apoyo del Departamento de Energía de EE. UU. y se llevó a cabo en la Molecular Foundry del Laboratorio Berkeley, también patrocinada por el DOE. 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 incluyen a 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.

Preguntas frecuentes (FAQ) sobre la ingeniería de aleaciones

¿Cuál es la importancia de esta investigación de la UCLA sobre aleaciones?

Esta investigación de la UCLA es innovadora, ya que marca el primer mapeo tridimensional de aleaciones de media y alta entropía, ofreciendo información sobre sus propiedades únicas.

¿Qué son las aleaciones de media y alta entropía?

Las aleaciones de entropía media combinan tres o cuatro metales en cantidades aproximadamente iguales, mientras que las aleaciones de entropía alta combinan cinco o más metales de manera similar, a diferencia de las aleaciones convencionales.

¿Cómo impacta esta investigación en la ingeniería de aleaciones?

Al revelar la estructura atómica y los defectos de estas aleaciones, la investigación abre las puertas al diseño de aleaciones más resistentes y flexibles, revolucionando potencialmente la ingeniería de materiales.

¿Cuál es el papel de los límites gemelos en estas aleaciones?

Los límites gemelos son defectos estructurales cruciales para la combinación excepcional de tenacidad y flexibilidad observada en aleaciones de media y alta entropía.

¿Qué es la tomografía electrónica atómica y por qué es importante?

La tomografía electrónica atómica es una técnica de imagen utilizada para identificar defectos a nivel atómico, lo que la hace crucial para comprender cómo los defectos afectan a los átomos circundantes en los materiales.

¿Cuáles son las direcciones futuras de esta investigación?

Los investigadores están desarrollando nuevos métodos de obtención de imágenes para diferenciar metales con átomos de tamaño similar y explorar las relaciones fundamentales entre las estructuras y propiedades de las aleaciones.

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5 comentarios

GramáticaNerd diciembre 20, 2023 - 11:02 pm

¡Excelente contenido, pero les vendría bien un poco de corrección ortográfica, amigos! Es "asombroso", no "asombroso". _xD83D__xDE09_

Responder
Asistente de ingeniería diciembre 21, 2023 - 1:53 am

¡Increíble! ¡Alerta de cambio de juego de aleación! Esta investigación abre las puertas a materiales súper resistentes.

Responder
Revisor123 diciembre 21, 2023 - 7:12 am

Vaya, esto es una locura de aleación, como la ciencia ficción y la herrería. La tecnología es increíble.

Responder
CienciaGeek27 diciembre 21, 2023 - 11:32 am

Mapeo atómico en 3D: ¡súper genial! Estas aleaciones son el futuro, sin duda.

Responder
Adicto a las noticias diciembre 21, 2023 - 1:45 pm

La UCLA está haciendo mucho trabajo científico y es como si las aleaciones se hubieran vuelto locas. ¡No puedo esperar a ver a dónde lleva esto!

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