Durante milenios, las personas han usado arena fundida y otros ingredientes para crear cuentas de vidrio y moda, vasos, lentes y ventanas.
En estos días, los vidrios metálicos, hechos completamente de átomos metálicos, se están desarrollando para aplicaciones biomédicas como agujas quirúrgicas extra afiladas, stents y articulaciones o implantes artificiales porque las aleaciones pueden ser ultraduras, extra fuertes, muyliso y resistente a la corrosión.
Si bien una combinación de ensayo y error e investigación científica ayudó a refinar los procesos de fabricación de vidrio a lo largo del tiempo, controlar la creación de vidrios metálicos a nivel atómico sigue siendo un esfuerzo inexacto informado en gran medida por una larga experiencia e intuición.
"Nuestro trabajo", dice Paul Voyles, "es construir una comprensión fundamental al agregar más datos"
El Profesor Beckwith-Bascom en ciencia e ingeniería de materiales en la Universidad de Wisconsin-Madison, Voyles y colaboradores en Madison y en la Universidad de Yale han logrado avances experimentales significativos en la comprensión de cómo, cuándo y dónde los átomos que se mueven constantemente en metal fundido "se bloquean"en su lugar a medida que el material pasa del vidrio líquido al sólido.
Describieron lo que observaron sobre cómo esos átomos se reorganizan a diferentes temperaturas con el tiempo hoy 19 de marzo de 2018 en la revista Comunicaciones de la naturaleza . Es un conocimiento que puede agregar la claridad experimental muy necesaria a varias teorías competitivas sobre cómo se produce ese proceso, llamado transición vítrea. También podría ayudar a reducir el tiempo y los costos asociados con el desarrollo de nuevos materiales de vidrio metálicos, y proporcionar a los fabricantes una mayor comprensiónen el diseño del proceso.
Un desafío de procesamiento es que a medida que los metales pasan de líquido fundido a sólido, tienden a formar estructuras atómicas repetidas de manera ordenada llamadas cristales. Por el contrario, los materiales de vidrio tienen una estructura atómica altamente desordenada. Y al hacer un vidrio metálico de alto rendimientosuena tan simple como evitar que los átomos de metal formen cristales a medida que el material se enfría, en realidad, depende un poco de la suerte del sorteo.
"El proceso que hace que un vidrio y el proceso que hace que un cristal compitan entre sí, y el que gana, el que ocurre a un ritmo más rápido, determina el producto final", dice Voyles, cuyo trabajo escon el apoyo de la National Science Foundation y el Departamento de Energía de EE. UU.
En un líquido, todos los átomos se mueven uno al lado del otro en todo momento. A medida que un metal fundido se enfría y comienza su transición a un sólido, sus átomos se ralentizan y finalmente dejan de moverse.
Es una danza complicada a nivel atómico que los científicos todavía están desentrañando. Basándose en su experiencia en microscopía electrónica y análisis de datos, Voyles y sus colaboradores han medido cuánto tiempo toma, en promedio, que un átomo gane o pierda átomos adyacentes comosu ambiente fluctúa en el líquido fundido.
"Un átomo está rodeado por un montón de otros átomos", dice Voyles. "A temperaturas realmente altas, rebotan y cada picosegundo una billonésima de segundo, tienen un nuevo conjunto de vecinos. A medida que la temperatura disminuye, se quedan con sus vecinos más y más tiempo hasta que se quedan de forma permanente "
A altas temperaturas, todos los átomos se mueven rápido. Luego, a medida que el líquido se enfría, se mueven más lentamente; una descripción simple podría ser que todos los átomos se desaceleran juntos, a la misma velocidad, hasta que dejan de moverse y el materialse convierte en un vidrio sólido.
"Hemos demostrado experimentalmente que eso no es lo que sucede", dice Voyles.
Más bien, dice, los experimentos de su equipo confirmaron que el tiempo que tardan los átomos en bloquearse en su lugar varía ampliamente, al menos en un orden de magnitud, de un lugar a otro dentro del mismo líquido.
"Algunas regiones del tamaño de un nanómetro se vuelven 'pegajosas' primero y se aferran a sus vecinas durante mucho tiempo, mientras que entre los bits pegajosos hay bits que se mueven mucho más rápido", dice. "Continúan fluctuando 10 vecesmás rápido que en las partes lentas y luego todo se vuelve más lento, pero las partes adhesivas también se hacen más grandes hasta que las partes adhesivas 'ganan' y el material se vuelve sólido ".
Ahora, él y sus colaboradores están trabajando para comprender cómo los arreglos atómicos difieren entre las partes lenta y rápida.
"Esa es la próxima gran pieza faltante del rompecabezas", dice.
El avance proporciona información valiosa sobre el proceso fundamental a través del cual cada material de vidrio, desde el vidrio de la ventana hasta las botellas de plástico, las preparaciones farmacéuticas y muchos otros, pasa de líquido a sólido, dice Voyles.
"Esto es realmente una ciencia básica", dice. "Pero el impacto potencial final para las aplicaciones es si realmente entendemos cómo funciona esto a nivel atómico, eso nos da la oportunidad de construir un control que nos permite fabricar gafas conlo que queremos en lugar de solo obtener anteojos cuando tenemos suerte "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Wisconsin-Madison . Original escrito por Renee Meiller. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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