No puede verlos, pero la mayoría de los metales a su alrededor, monedas, cubiertos, incluso las vigas de acero que sostienen edificios y pasos elevados, están formados por pequeños granos de metal. Bajo un microscopio lo suficientemente potente, puede vercristales entrelazados que parecen una encimera de granito.
Los científicos de materiales saben desde hace mucho tiempo que los metales se vuelven más fuertes a medida que el tamaño de los granos que forman el metal se hace más pequeño, hasta cierto punto. Si los granos son más pequeños que 10 nanómetros de diámetro, los materiales son más débiles porque, erapensó, se deslizan uno al lado del otro como arena deslizándose por una duna. La resistencia de los metales tenía un límite
Pero los experimentos dirigidos por el ex becario postdoctoral de la Universidad de Utah Xiaoling Zhou, ahora en la Universidad de Princeton, profesor asociado de geología Lowell Miyagi, y Bin Chen en el Centro de Investigación Avanzada de Ciencia y Tecnología de Alta Presión en Shanghai, China, muestran que eso no essiempre es el caso: en muestras de níquel con diámetros de grano tan pequeños como 3 nanómetros, y bajo altas presiones, la resistencia de las muestras continuó aumentando con tamaños de grano más pequeños.
El resultado, dicen Zhou y Miyagi, es una nueva comprensión de cómo los átomos individuales de los granos de metal interactúan entre sí, así como una forma de usar esa física para lograr metales súper fuertes. Su estudio, realizado con colegas deLa Universidad de California, Berkeley y en las universidades de China, se publica en Nature.
"Nuestros resultados sugieren una posible estrategia para fabricar metales ultrafuertes", dice Zhou. "En el pasado, los investigadores creían que el tamaño de grano más fuerte era de alrededor de 10-15 nanómetros. Pero ahora descubrimos que podíamos fabricar metales más fuertes a menos de 10 nanómetros"
empujando pasado Hall-Petch
Para la mayoría de los objetos metálicos, dice Miyagi, los tamaños de los granos de metal son del orden de unos pocos a unos cientos de micrómetros, aproximadamente el diámetro de un cabello humano. "Los cubiertos de alta gama a menudo serán más finos y másestructura de grano homogénea que puede permitirle obtener una mejor ventaja ", dice.
La relación previamente entendida entre la resistencia del metal y el tamaño del grano se llamó relación Hall-Petch. La resistencia del metal aumentó a medida que el tamaño del grano disminuyó, según Hall-Petch, hasta un límite de 10-15 nanómetros. Eso es un diámetro de soloalrededor de cuatro a seis cadenas de ADN. Los tamaños de grano por debajo de ese límite simplemente no eran tan fuertes. Por lo tanto, para maximizar la resistencia, los metalúrgicos apuntarían a los tamaños de grano efectivos más pequeños.
"El refinamiento del tamaño de grano es un buen enfoque para mejorar la resistencia", dice Zhou. "Por lo tanto, en el pasado era bastante frustrante encontrar que este enfoque de refinamiento del tamaño de grano ya no funciona por debajo de un tamaño de grano crítico".
La explicación para el debilitamiento por debajo de 10 nanómetros tenía que ver con la forma en que interactuaban las superficies de grano. Las superficies de los granos tienen una estructura atómica diferente que los interiores, dice Miyagi. Mientras los granos se mantengan unidos por el poder de la fricción,el metal retendría resistencia, pero se pensó que en granos pequeños, los granos simplemente se deslizarían entre sí bajo tensión, lo que conduciría a un metal débil.
Sin embargo, las limitaciones técnicas previenen los experimentos directos sobre nanogranos, lo que limita la comprensión de cómo se comportaron los granos a nanoescala y si aún puede haber una fuerza sin explotar por debajo del límite de Hall-Petch. "Así que diseñamos nuestro estudio para medir la fuerza de los nanometales", Zhoudice.
bajo presión
Los investigadores probaron muestras de níquel, un material que está disponible en una amplia gama de tamaños de nanogranos, hasta tres nanómetros. Sus experimentos consistieron en colocar muestras de varios tamaños de granos bajo intensas presiones en una célula de yunque de diamante y usar difracción de rayos X paramire lo que sucedía a nanoescala en cada muestra.
"Si alguna vez has jugado con un resorte, probablemente lo has jalado lo suficiente como para arruinarlo para que no haga lo que se supone que debe hacer", dice Miyagi. "Eso es básicamente lo que estamosmidiendo aquí; qué tan fuerte podemos presionar este níquel hasta que lo deformemos más allá del punto de poder recuperarse "
La resistencia continuó aumentando hasta el tamaño de grano más pequeño disponible. La muestra de 3 nm soportó una fuerza de 4.2 gigapascales aproximadamente la misma fuerza que diez elefantes de 10,000 lb balanceados en un solo tacón alto antes de deformarse irreversiblemente.diez veces más fuerte que el níquel con un tamaño de grano de grado comercial.
No es que la relación Hall-Petch se rompió, dice Miyagi, sino que la forma en que interactuaron los granos fue diferente bajo las condiciones experimentales. La alta presión probablemente superó los efectos de deslizamiento de granos.
"Si empuja dos granos juntos muy fuerte", dice, "es difícil que se deslicen entre sí porque la fricción entre los granos se hace grande, y puede suprimir estos mecanismos de deslizamiento del límite de grano que resultan son los responsables de estodebilitamiento."
Cuando se suprimió el deslizamiento del límite de grano en tamaños de grano inferiores a 20 nm, los investigadores observaron un nuevo mecanismo de deformación a escala atómica que resultó en un fortalecimiento extremo en las muestras de grano más fino.
posibilidades ultrafuertes
Zhou dice que uno de los avances de este estudio está en su método para medir la resistencia de los materiales a nanoescala de una manera que no se había hecho antes.
Miyagi dice que otro avance es una nueva forma de pensar sobre el fortalecimiento de los metales, mediante la ingeniería de sus superficies de grano para suprimir el deslizamiento del grano.
"No tenemos muchas aplicaciones, industrialmente, de cosas donde las presiones son tan altas como en estos experimentos, pero al mostrar la presión es una forma de suprimir la deformación del límite de grano, podemos pensar en otras estrategias para suprimirla, tal vez usandomicroestructuras complicadas en las que tienes formas de grano que inhiben el deslizamiento de los granos entre sí "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Utah . Original escrito por Paul Gabrielsen. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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