La alta presión podría ser la clave para hacer mezclas de metales avanzadas que sean más livianas, más fuertes y más resistentes al calor que las aleaciones convencionales, sugiere un nuevo estudio realizado por investigadores de Stanford.
Los seres humanos han estado mezclando metales para crear aleaciones con propiedades únicas durante miles de años. Pero las aleaciones tradicionales generalmente consisten en uno o dos metales dominantes con una pizca de otros metales o elementos agregados. Los ejemplos clásicos incluyen agregar estaño al cobre para hacerbronce o carbono a hierro para crear acero.
Por el contrario, las aleaciones de "alta entropía" consisten en varios metales mezclados en cantidades aproximadamente iguales. El resultado son aleaciones más fuertes y ligeras que son más resistentes al calor, la corrosión y la radiación, y que incluso pueden poseer elementos mecánicos, magnéticos o eléctricos únicos.propiedades.
A pesar del gran interés de los científicos de materiales, las aleaciones de alta entropía aún tienen que dar el salto del laboratorio a productos reales. Una razón importante es que los científicos aún no han descubierto cómo controlar con precisión la disposición, o estructura de empaque, deLos átomos constituyentes. La disposición de los átomos de una aleación puede influir significativamente en sus propiedades, ayudando a determinar, por ejemplo, si es rígida o dúctil, fuerte o quebradiza.
"Algunas de las aleaciones más útiles están formadas por átomos metálicos dispuestos en una combinación de estructuras de empaque", dijo el primer autor del estudio, Cameron Tracy, investigador postdoctoral de la Escuela de Ciencias de la Tierra, Energía y Medio Ambiente de Stanford y el Centro de Seguridad Internacional.y Cooperación CISAC.
Una nueva estructura
Hasta la fecha, los científicos solo han podido recrear dos tipos de estructuras de empaque con la mayoría de las aleaciones de alta entropía, llamadas cúbico centrado en el cuerpo y cúbico centrado en la cara. Una tercera estructura de empaque común ha eludido en gran medida los esfuerzos de los científicos:- hasta ahora.
En el nuevo estudio, publicado en línea en la revista Comunicaciones de la naturaleza , Tracy y sus colegas informan que han creado con éxito una aleación de alta entropía, hecha de metales comunes y fácilmente disponibles, con la denominada estructura hexagonal compacta HCP.
"En los últimos años se ha fabricado una pequeña cantidad de aleaciones de alta entropía con la estructura HCP, pero contienen muchos elementos exóticos como metales alcalinos y metales de tierras raras", dijo Tracy. "Lo que logramoshacer es hacer una aleación de alta entropía HCP a partir de metales comunes que se utilizan normalmente en aplicaciones de ingeniería ".
El truco, al parecer, es la alta presión. Tracy y sus colegas usaron un instrumento llamado celda de yunque de diamante para someter pequeñas muestras de una aleación de alta entropía a presiones de hasta 55 gigapascales, aproximadamente la presión que uno encontraría.en el manto de la Tierra. "La única vez que verías naturalmente esa presión sobre la superficie de la Tierra es durante un impacto de meteorito realmente grande", dijo Tracy.
La alta presión parece desencadenar una transformación en la aleación de alta entropía que usó el equipo, que consistía en manganeso, cobalto, hierro, níquel y cromo ". Imagine los átomos como una capa de pelotas de ping pong sobre una mesa y luego agreguemás capas en la parte superior. Eso puede formar una estructura de empaque cúbica centrada en la cara. Pero si desplaza algunas de las capas ligeramente en relación con la primera, obtendrá una estructura hexagonal compacta ", dijo Tracy.
Los científicos han especulado que la razón por la que las aleaciones de alta entropía no experimentan este cambio de forma natural es porque las fuerzas magnéticas que interactúan entre los átomos del metal evitan que suceda. Pero la alta presión parece interrumpir las interacciones magnéticas.
"Cuando presurizas un material, empujas todos los átomos más juntos. A menudo, cuando comprimes algo, se vuelve menos magnético", dijo Tracy. "Eso es lo que parece estar sucediendo aquí: comprimir la aleación de alta entropía hacees no magnético o casi no magnético, y de repente es posible una fase HCP ".
configuración estable
Curiosamente, la aleación retiene una estructura HCP incluso después de que se elimina la presión. "La mayoría de las veces, cuando se quita la presión, los átomos vuelven a su configuración anterior. Pero eso no está sucediendo aquí, y eso es realmente sorprendente.", dijo la coautora del estudio, Wendy Mao, profesora asociada de ciencias geológicas en la Escuela de Ciencias de la Tierra, Energía y Medio Ambiente de Stanford.
El equipo también descubrió que aumentando lentamente la presión, podían aumentar la cantidad de estructura hexagonal compacta en su aleación. "Esto sugiere que es posible adaptar el material para que nos dé exactamente las propiedades mecánicas que queremos para unaplicación particular ", dijo Tracy.
Por ejemplo, los motores de combustión y las plantas de energía funcionan de manera más eficiente a altas temperaturas, pero las aleaciones convencionales tienden a no funcionar bien en condiciones extremas porque sus átomos comienzan a moverse y se vuelven más desordenados.
"Las aleaciones de alta entropía, sin embargo, ya poseen un alto grado de desorden debido a su naturaleza altamente entremezclada", dijo Tracy. "Como resultado, tienen propiedades mecánicas que son excelentes a bajas temperaturas y permanecen excelentes a altas temperaturas."
En el futuro, los científicos de materiales pueden afinar aún más las propiedades de las aleaciones de alta entropía mezclando diferentes metales y elementos juntos. "Hay una gran parte de la tabla periódica y tantas permutaciones por explorar".Mao dijo.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Escuela de Ciencias de la Tierra, Energía y Medio Ambiente de Stanford . Original escrito por Ker Than. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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