Los investigadores han descubierto una aleación de metal «indestructible» durante un experimento. La mezcla sorprendió al equipo de dos maneras: permanece sólida a altas temperaturas y, sin embargo, no forma grietas a bajas temperaturas. El descubrimiento abre nuevas oportunidades para la investigación de materiales.
Todo está en la mezcla: los investigadores han descubierto una aleación de metal que ni se ablanda ni se rompe, incluso a temperaturas extremas. La mezcla de niobio, tantalio, titanio y hafnio permanece sólida incluso cuando se calienta a unos buenos 1.600 grados y, sin embargo, no se vuelve quebradiza a temperaturas bajo cero, una combinación inusual de características para los metales. Por lo tanto, la aleación podría abrir nuevas aplicaciones en la tecnología y los viajes espaciales, como informa el equipo en “Science”. Pero ¿qué hace que esta aleación sea tan estable?
Ya sea en centrales eléctricas, máquinas o en el sector aeroespacial, muchos ámbitos técnicos requieren materiales metálicos que permanezcan estables incluso ante altas temperaturas y fuerzas intensas. Se suelen utilizar aleaciones especiales que tienen un alto punto de fusión y cuya red atómica puede soportar deformaciones permanentes durante mucho tiempo. Sin embargo, estos materiales se vuelven rápidamente quebradizos y se rompen con temperaturas frías. Para condiciones de frío se suelen utilizar otras aleaciones que sean especialmente resistentes a las grietas.
Pero ahora investigadores dirigidos por David Cook del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (LBNL) han descubierto una aleación de metal que puede hacer ambas cosas: permanece sólida a altas temperaturas y, sin embargo, no forma grietas cuando hace frío. El punto de partida para ello fueron los experimentos con las llamadas aleaciones refractarias de alta entropía (RHEA). Se trata de materiales en los que se mezclan varios metales con un alto punto de fusión en proporciones casi iguales.
«Nuestro equipo ha estado trabajando con este tipo de aleaciones durante mucho tiempo y hemos descubierto repetidamente que estos materiales son muy estables al calor, pero tienen una resistencia al agrietamiento extremadamente baja», explica el colega de Cook, Punit Kumar. En climas fríos se encuentran entre los metales más frágiles de todos.
Cook y su equipo se sorprendieron aún más cuando una de las aleaciones RHEA que crearon se comportó de manera completamente diferente. La mezcla de alrededor del 45 por ciento de niobio, 25 por ciento de tantalio, 15 por ciento de titanio y 15 por ciento de hafnio se comportó inusualmente de dos maneras. Por un lado, cuando se calentaba, al principio se volvía más duro y resistente a la flexión en lugar de más blando. Esta resistencia disminuyó un poco bajo altas temperaturas, pero la aleación pudo soportar temperaturas de hasta 1.600 grados sin derretirse ni ablandarse. «Esta tendencia es exactamente opuesta a la de la mayoría de los materiales», afirman los investigadores.
Por otra parte, la mezcla de metales no se volvió quebradiza en frío. “Cuando la temperatura se redujo a -196 grados, la resistencia al agrietamiento se mantuvo persistentemente alta. La resistencia a la rotura de la aleación de niobio, tantalio, titanio y hafnio incluso superó a la del acero criogénico especial en algunos rangos de temperatura, según determinó el equipo. «Todos los valores fueron altos y realmente notables para este tipo de aleaciones RHEA», dijeron Cook y sus colegas.
Pero ¿qué hay detrás de esta inusual resiliencia? Para averiguarlo, los investigadores analizaron el metal durante las pruebas utilizando métodos cristalográficos como el análisis de retrodispersión electrónica (EBSD) y la microscopía electrónica. Esto reveló que bajo tensión, se forman defectos especiales llamados bandas de torsión en la red cristalina de la aleación. En estas estrechas franjas, la ordenada estructura reticular se colapsa localmente.
Normalmente, estos defectos tienden a hacer que un metal sea más quebradizo e inestable, pero en el caso de la nueva aleación RHEA, ocurre lo contrario: «Estas bandas suprimen el endurecimiento por tensión al reorientar las microtiras del cristal hacia la tensión de corte más alta», dijo el equipo. explica. «En paralelo, la red se recristaliza continuamente en respuesta a tensiones locales a lo largo de estas bandas, desviando así el daño lejos de la punta de la grieta».
«Estamos demostrando por primera vez que estas bandas retorcidas desvían el daño causado por una rotura entre átomos y evitan así la propagación de grietas», afirma Cook. «Esto le da a este material su excepcional resistencia a la rotura».
Según el equipo de investigación, el descubrimiento de esta aleación abre nuevas posibilidades para la investigación de materiales. «Contrariamente a la creencia común, las aleaciones refractarias complejas pueden exhibir una extraordinaria estabilidad al agrietamiento en rangos de temperatura extremos, incluso en el régimen criogénico», escriben Cook y sus colegas. «Esta excepcional tolerancia al daño abre la posibilidad de utilizar este tipo de aleaciones refractarias en aplicaciones críticas para la seguridad».
Sería posible, por ejemplo, utilizarlo en reactores, motores o en el sector aeroespacial. En todos estos ámbitos, los metales tienen que soportar cargas elevadas a temperaturas extremas. Hasta que se utilice la nueva aleación, Cook y su equipo quieren explorar más a fondo sus características y peculiaridades. (Ciencia, 2024; doi: 10.1126/science.adn2428)
Otros: DOE/Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley
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El original de este artículo “Los investigadores están doblemente sorprendidos por la aleación “indestructible” recientemente descubierta” proviene de scinexx.
