Un equipo de científicos ha fabricado la plata más fuerte de la historia: 42% más fuerte que el récord mundial anterior. Pero ese no es el punto importante.
"Hemos descubierto un nuevo mecanismo en funcionamiento a escala nanométrica que nos permite fabricar metales que son mucho más fuertes que cualquier cosa que se haya hecho antes, sin perder conductividad eléctrica", dice Frederic Sansoz, científico de materiales e ingeniería mecánica.profesor de la Universidad de Vermont que co-dirigió el nuevo descubrimiento.
Este avance fundamental promete una nueva categoría de materiales que puede superar una compensación tradicional en materiales industriales y comerciales entre resistencia y capacidad para transportar corriente eléctrica.
Los resultados del equipo se publicaron el 23 de septiembre en la revista Materiales de la naturaleza .
REPENSANDO EL DEFECTO
Todos los metales tienen defectos. A menudo, estos defectos conducen a cualidades indeseables, como fragilidad o ablandamiento. Esto ha llevado a los científicos a crear diversas aleaciones o mezclas pesadas de materiales para hacerlos más fuertes. Pero a medida que se vuelven más fuertes, pierden conductividad eléctrica.
"Nos preguntamos, ¿cómo podemos hacer un material con defectos pero superar el ablandamiento mientras conservamos la electroconductividad", dijo Morris Wang, científico principal del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore y coautor del nuevo estudio.
Al mezclar una pequeña cantidad de cobre en la plata, el equipo demostró que puede transformar dos tipos de defectos inherentes a nanoescala en una poderosa estructura interna. "Eso se debe a que las impurezas son directamente atraídas por estos defectos", explica Sansoz. En otras palabras,el equipo usó una impureza de cobre, una forma de dopaje o "microaleación", como lo llaman los científicos, para controlar el comportamiento de los defectos en la plata. Como una especie de jiu-jitsu a escala atómica, los científicos volcaron los defectos a suventaja, usándolos para fortalecer el metal y mantener su conductividad eléctrica.
Para hacer su descubrimiento, el equipo, incluidos los expertos de la UVM, el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore, el Laboratorio Ames, el Laboratorio Nacional Los Alamos y UCLA, comenzó con una idea fundamental de la ingeniería de materiales: como el tamaño de un cristal:o grano: el material se hace más pequeño, se vuelve más fuerte. Los científicos llaman a esto la relación Hall-Petch. Este principio de diseño general ha permitido a los científicos e ingenieros construir aleaciones más fuertes y cerámicas avanzadas durante más de 70 años. Funciona muy bien.
Hasta que no lo haga. Eventualmente, cuando los granos de metal alcanzan un tamaño infinitamente pequeño, bajo decenas de nanómetros de ancho, los límites entre los granos se vuelven inestables y comienzan a moverse. Por lo tanto, otro enfoque conocido para fortalecer metales como la platautiliza "límites gemelos coherentes" a nanoescala, que son un tipo especial de límite de grano. Estas estructuras de átomos emparejados, formando una interfaz cristalina simétrica tipo espejo, son extremadamente fuertes a la deformación. Excepto que estos límites gemelos también se vuelven suavescuando su espacio intermedio cae por debajo de un tamaño crítico de unos pocos nanómetros, debido a imperfecciones.
PROPIEDADES SIN PRECEDENTES
Hablando en términos generales, los nanocristales son como parches de tela y los nanotwins son como hilos fuertes pero pequeños en la tela. Excepto que están en la escala atómica. La nueva investigación combina ambos enfoques para hacer lo que los científicos llaman "nanocristalinosmetal ", que tiene" propiedades mecánicas y físicas sin precedentes ", escribe el equipo.
Esto se debe a que los átomos de cobre, ligeramente más pequeños que los átomos de plata, se mueven hacia defectos tanto en los límites del grano como en los límites gemelos. Esto permitió al equipo usar simulaciones por computadora de átomos como punto de partida y luego pasar a metales realescon instrumentos avanzados en los Laboratorios Nacionales, para crear la nueva forma de plata súper fuerte. Las pequeñas impurezas de cobre dentro de la plata inhiben el movimiento de los defectos, pero son una cantidad tan pequeña de metal, menos del uno por ciento del total- que se retiene la rica conductividad eléctrica de la plata ". Las impurezas de los átomos de cobre van a lo largo de cada interfaz y no en el medio", explica Sansoz. "Para que no interrumpan los electrones que se propagan a través".
Este metal no solo supera el ablandamiento previamente observado a medida que los granos y los límites gemelos se vuelven demasiado pequeños, el llamado "desglose de Hall-Petch", incluso supera el límite teórico de Hall-Petch de larga data. El equipo informaSe puede encontrar una "resistencia máxima ideal" en metales con límites gemelos que están separados por menos de siete nanómetros, solo unos pocos átomos. Y una versión tratada térmicamente de la plata con cordones de cobre del equipo tiene una medida de dureza por encima de lo que se pensaba que erael máximo teórico
"Hemos batido el récord mundial y el límite de Hall-Petch también, no solo una vez sino varias veces en el curso de este estudio, con experimentos muy controlados", dice Sansoz.
Sansoz confía en que el enfoque del equipo para fabricar plata súper fuerte y aún conductiva se puede aplicar a muchos otros metales. "Esta es una nueva clase de materiales y apenas estamos comenzando a entender cómo funcionan", dice.Y anticipa que la ciencia básica revelada en el nuevo estudio puede conducir a avances en las tecnologías, desde células solares más eficientes hasta aviones más livianos y plantas de energía nuclear más seguras ". Cuando puede hacer que el material sea más fuerte, puede usar menos,y dura más ", dice," y ser eléctricamente conductor es crucial para muchas aplicaciones ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Vermont . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
Cite esta página :