Los investigadores han descubierto una forma de predecir qué aleaciones formarán vidrios metálicos. La investigación podría allanar el camino para nuevos materiales fuertes y conductores.
Los vidrios metálicos a veces se forman cuando el metal fundido se enfría demasiado rápido para que sus átomos se organicen en un orden estructurado y cristalino. El resultado es un material con numerosas propiedades deseables. Debido a que son metales, los vidrios metálicos tienen alta dureza y tenacidad y buenaconductividad térmica. Debido a que su estructura está desorganizada, son fáciles de procesar y dar forma y difíciles de corroer. Gracias a estas características, los vidrios metálicos se utilizan en una amplia gama de aplicaciones, incluidas aplicaciones eléctricas, ingeniería de reactores nucleares, industrias médicas, refuerzo estructuraly cuchillas de afeitar.
Si bien el vidrio metálico ha existido durante décadas, los científicos no tienen idea de qué combinaciones de elementos los formarán. La única forma de crear nuevos vasos metálicos hasta la fecha ha sido cocinar nuevas recetas en el laboratorio con solo unas pocas reglasUn consejo para la orientación y la esperanza de lo mejor: un esfuerzo costoso tanto en tiempo como en dinero.
Sin embargo, en un nuevo estudio, los investigadores de la Universidad de Duke, en colaboración con grupos de la Universidad de Harvard y la Universidad de Yale, describen un método que puede predecir qué aleaciones binarias formarán gafas metálicas. Su técnica consiste en calcular y comparar los muchos bolsillos de diferentesestructuras y energías que podrían encontrarse dentro de una aleación solidificada.
Los resultados se publicaron el 2 de agosto de 2016 en Comunicaciones de la naturaleza .
"Cuando se forman muchas estructuras una al lado de la otra que son diferentes pero aún tienen energías internas similares, se siente una cierta frustración cuando el material intenta cristalizarse", dijo Eric Perim, investigador postdoctoral que trabaja en el laboratoriode Stefano Curtarolo, profesor de ingeniería mecánica y ciencia de materiales y director del Centro de Genómica de Materiales en Duke. "El material no puede decidir a qué estructura cristalina quiere converger, y emerge un vidrio metálico. Lo que creamos es básicamente unmedida de esa confusión "
Para determinar la probabilidad de que una aleación forme un vidrio, Curtarolo, Perim y sus colegas dividieron su química en numerosas secciones, cada una de las cuales contiene solo un puñado de átomos. Luego recurrieron a una base de datos prototipo para simular los cientos de estructuras de cada secciónpotencialmente podría tomar.
Llamada la biblioteca AFLOW, la base de datos almacena información sobre estructuras atómicas que se observan comúnmente en la naturaleza. Utilizando estos ejemplos, el programa calcula cómo se vería una nueva combinación de elementos con estas estructuras. Por ejemplo, la estructura atómica del cloruro de sodio- mejor conocido como sal - puede usarse para construir una estructura potencial para el circonio de cobre.
Estas simulaciones producen estimaciones de características para cientos de formas estructurales que un material podría tomar. Una característica, llamada entorno atómico, observa la disposición geométrica de los vecinos más cercanos de un átomo. Otra calcula la cantidad de energía almacenada en cada uno de estosestructuras.
Para determinar la probabilidad de que una aleación forme un vidrio metálico, el programa compara estas dos características entre los cientos de estructuras diferentes que se pueden encontrar en todo el material. Si grupos de átomos cercanos entre sí tienen energías similares, quieren formar semejantesestructuras. Pero si el enfriamiento rápido evita esto, emerge un vidrio metálico.
"La gran ventaja de nuestro trabajo es que es de alto rendimiento, porque hacer esto experimentalmente consume demasiado tiempo", dijo Cormac Toher, profesor asistente de investigación en el laboratorio de Curtarolo. "No se pueden verificar todas las composiciones de todos los sistemas enel laboratorio. Eso tomaría literalmente una eternidad. La idea detrás de esto es que podemos seleccionar una gran cantidad de materiales en un par de días y seleccionar los más probables que deberían verificarse ".
El grupo luego puso a prueba su programa de medición de confusión para ver si podía predecir con precisión las gafas metálicas que ya se conocen. Pudieron identificar correctamente el 73 por ciento, un número que esperan que mejore a medida que continúen aumentandoInformación estructural y simulaciones almacenadas en su base de datos.
Según su trabajo inicial, creen que aproximadamente una sexta parte de las aleaciones en su sistema deberían fabricar vidrio metálico. Eso es más de 250 materiales potenciales, de los cuales solo se han descubierto unas dos docenas.
"Si vas a Venecia verás personas soplando botellas de vidrio", dijo Curtarolo. "También puedes hacerlo con gafas metálicas. Puedes hacer objetos livianos y muy duraderos sin costuras. Pero tratando de escalarloses difícil. Cuanto más grande es el bulto, más tiempo tarda su centro en enfriarse, y es más probable que forme una estructura cristalina normal. Pero puede haber combinaciones químicas no descubiertas con las que sería más fácil trabajar, costar menos otienen otras propiedades más deseables. Solo tenemos que averiguar dónde buscarlas "
Además de refinar sus resultados para las aleaciones binarias, los investigadores planean extender su algoritmo a las aleaciones que contienen tres elementos, ya que es más probable que formen vidrios, pero su modelado es mucho más difícil y lento. Sin embargo, su base de datos tienesolo alrededor de una décima parte de las entradas para estas aleaciones, como lo hace para las aleaciones binarias, por lo que los clústeres de computadoras de todo el mundo primero tendrán que funcionar durante algún tiempo.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por Universidad de Duke . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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