Los vidrios metálicos son materiales muy fuertes y elásticos que a simple vista parecen ser idénticos al acero inoxidable. Pero los vidrios metálicos difieren de los metales ordinarios en que son amorfos, carecen de una disposición atómica cristalina ordenada. Esta distribución aleatoria de átomos,que es la característica principal de todos los materiales de vidrio como cristales de ventanas y vajillas, les da a los vidrios metálicos propiedades mecánicas únicas pero estructura interna impredecible Investigadores en el laboratorio Caltech de Julia Greer, profesora de ciencias de los materiales y mecánica en la División de Ingeniería y AplicaciónLa ciencia ha demostrado que las gafas metálicas tienen una estructura de nivel atómico, si se acerca lo suficiente, aunque difiere de las redes periódicas que caracterizan a los metales cristalinos.
Si observara un vidrio metálico en una escala mayor que unos pocos diámetros atómicos, vería grupos de átomos apretados y mezclados. Un nuevo estudio del grupo Greer, publicado en la edición del 18 de septiembre de 2015 de la revista ciencia - muestra que dentro de cada uno de estos grupos, en una escala de aproximadamente dos a tres diámetros atómicos, los átomos tienen una disposición predecible llamada fractal.
Los fractales son patrones que son auto-similares en diferentes escalas, y pueden ocurrir de forma bastante natural.
"Tome, por ejemplo, un trozo de papel arrugado en una bola. Si mira los pliegues del papel cuando se aplana después de arrugarse, se verá cualitativamente igual si hace zoom en una porción más pequeña del mismo papel"La escala que utiliza para examinar el documento más o menos no cambia su aspecto", dice David Chen, un estudiante graduado de cuarto año en el laboratorio de Greer y primer autor de este nuevo documento.
El grupo realizó simulaciones y experimentos para sondear la estructura atómica de las aleaciones de vidrio metálico de cobre, circonio y aluminio. En los sólidos cristalinos como el diamante o el oro, los átomos o las moléculas están dispuestos en un patrón reticular ordenado. Como resultado, el localla vecindad alrededor de un átomo en un material cristalino es idéntica a cualquier otra parte del material. En los metales amorfos, cada ubicación dentro del material se ve diferente, excepto, descubrieron Greer y sus colegas, cuando se acerca para ver la distribución de átomos enla escala de dos a tres diámetros atómicos, aproximadamente un nanómetro. En este nivel, el mismo patrón fractal está presente, independientemente de la ubicación dentro del material ". Dentro de los grupos de átomos que forman un vidrio metálico, los átomos están dispuestos en untipo particular de patrón fractal llamado percolación ", dice Chen.
Otros científicos han planteado previamente la hipótesis de que los átomos en los vidrios metálicos se distribuyen fractalmente. Sin embargo, esto crea una paradoja aparente: cuando los átomos se distribuyen fractalmente, debe haber un espacio vacío entre ellos. Sin embargo, los vidrios metálicos, al igual que los metales normales,-son completamente densos, lo que significa que carecen de bolsas significativas de espacio vacío.
"Nuestro grupo ha resuelto esta paradoja al mostrar que los átomos solo están organizados de manera fractal hasta una cierta escala", dice Greer. "Más grande que esa escala, los grupos de átomos se empaquetan al azar y firmemente, haciendo un material completamente denso, comoun metal normal. Para que podamos tener algo que sea tanto fractal como totalmente denso "
El descubrimiento se realizó con vidrios metálicos, pero las conclusiones del grupo sobre estructuras atómicas dispuestas fractalmente se pueden aplicar esencialmente a cualquier material amorfo rígido, como el vidrio en un cristal de ventana o un chicle congelado ". Los metales amorfos pueden exhibir propiedades únicas, como la resistencia y la elasticidad inusuales ", dice Chen." Ahora que conocemos la estructura de estos materiales, podemos comenzar a estudiar cómo su disposición a nivel atómico afecta sus propiedades a gran escala ".
Además de las aplicaciones dentro de la ciencia de los materiales, los estudios de las distribuciones fractales que ocurren naturalmente son de gran interés dentro de los campos de las matemáticas, la física y la informática. Los fractales han sido estudiados durante siglos por matemáticos y físicos. Mostrando cómo emergen en un entorno metálicola aleación proporciona una base física para algo que solo se ha estudiado teóricamente.
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Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de California . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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