Los científicos de materiales de la Universidad de Duke y la Universidad de California en San Diego han descubierto que una nueva clase de carburos se espera que se encuentre entre los materiales más duros con los puntos de fusión más altos que existen. Hecho de metales económicos, los nuevos materiales pronto pueden usarse en una amplia gama deindustrias desde maquinaria y hardware hasta aeroespacial.
Un carburo es tradicionalmente un compuesto que consiste en carbono y otro elemento. Cuando se combina con un metal como titanio o tungsteno, el material resultante es extremadamente duro y difícil de fundir. Esto hace que los carburos sean ideales para aplicaciones como el recubrimiento de la superficie deherramientas de corte o partes de un vehículo espacial.
También existe un pequeño número de carburos complejos que contienen tres o más elementos, pero no se encuentran comúnmente fuera del laboratorio o en aplicaciones industriales. Esto se debe principalmente a las dificultades para determinar qué combinaciones pueden formar estructuras estables, y mucho menos tenerpropiedades.
Un equipo de científicos de materiales en la Universidad de Duke y UC San Diego ha anunciado el descubrimiento de una nueva clase de carburos que unen carbono con cinco elementos metálicos diferentes a la vez. Los resultados aparecen en línea el 27 de noviembre en la revista Comunicaciones de la naturaleza .
Al lograr la estabilidad de la mezcla caótica de sus átomos en lugar de la estructura atómica ordenada, los investigadores de la Universidad de Duke predijeron computacionalmente que estos materiales existían y luego se sintetizaron con éxito en la UC San Diego.
"Estos materiales son más duros y livianos que los carburos actuales", dijo Stefano Curtarolo, profesor de ingeniería mecánica y ciencia de materiales en Duke. "También tienen puntos de fusión muy altos y están hechos de mezclas de materiales relativamente baratas. Esta combinaciónde atributos debería hacerlos muy útiles para una amplia gama de industrias "
Cuando los estudiantes aprenden acerca de las estructuras moleculares, se les muestran cristales como la sal, que se asemeja a un tablero de ajedrez en 3D. Estos materiales ganan su estabilidad y resistencia a través de enlaces atómicos regulares y ordenados donde los átomos se unen como piezas de un rompecabezas.
Sin embargo, las imperfecciones en una estructura cristalina a menudo pueden agregar resistencia a un material. Si las grietas comienzan a propagarse a lo largo de una línea de enlaces moleculares, por ejemplo, un grupo de estructuras desalineadas puede detenerlo en seco.La cantidad perfecta de desorden se logra a través de un proceso de calentamiento y enfriamiento llamado recocido.
La nueva clase de carburos de cinco metales lleva esta idea al siguiente nivel. Eliminando cualquier dependencia de las estructuras cristalinas y los enlaces para su estabilidad, estos materiales dependen completamente del desorden. Si bien una pila de pelotas de béisbol no se sostiene por sí sola,una pila de pelotas de béisbol, zapatos, murciélagos, sombreros y guantes podrían serlo.
La dificultad radica en predecir qué combinación de elementos se mantendrá firme. Intentar fabricar nuevos materiales es costoso y requiere mucho tiempo. Calcular las interacciones atómicas a través de simulaciones de primer principio es aún más importante. Y con cinco ranuras para elementos metálicos y 91 para elegira partir de, el número de recetas potenciales se vuelve rápidamente desalentador.
"Para determinar qué combinaciones se mezclarán bien, hay que hacer un análisis espectral basado en la entropía", dijo Pranab Sarker, un asociado postdoctoral en el laboratorio de Curtarolo y uno de los primeros autores del artículo. "La entropía es increíblemente temporal"consume y es difícil de calcular construyendo un modelo átomo por átomo. Así que intentamos algo diferente "
El equipo primero redujo el campo de ingredientes a ocho metales conocidos por crear compuestos de carburo con alta dureza y temperaturas de fusión. Luego calcularon cuánta energía se necesitaría para un carburo de cinco metales potencial para formar un gran conjunto de configuraciones aleatorias.
Si los resultados se separaron, indicó que la combinación probablemente favorecería una sola configuración y se desmoronaría, como tener demasiadas pelotas de béisbol en la mezcla. Pero si hubiera muchas configuraciones estrechamente agrupadas, indicaría que el material seríaprobablemente forman muchas estructuras diferentes a la vez, proporcionando el trastorno necesario para la estabilidad estructural.
El grupo luego probó su teoría haciendo que su colega Kenneth Vecchio, profesor de Nanoingeniería en la UC San Diego, intentara fabricar nueve de los compuestos. Esto se hizo combinando los elementos en cada receta en una forma finamente pulverizada, presionándolosa temperaturas de hasta 4,000 grados Fahrenheit y con 2000 amperios de corriente directamente a través de ellos.
"Aprender a procesar estos materiales fue una tarea difícil", dijo Tyler Harrington, un estudiante de doctorado en el laboratorio de Vecchio y co-primer autor del artículo. "Se comportan de manera diferente a cualquier material con el que hayamos tratado, incluso elcarburos tradicionales "
Eligieron las tres recetas que su sistema consideró más probables para formar un material estable, las dos menos probables y las cuatro combinaciones aleatorias que obtuvieron un puntaje intermedio. Como se predijo, los tres candidatos más probables tuvieron éxito mientras que los dos menos probables no lo fueron.Tres de los cuatro anotadores intermedios también formaron estructuras estables. Si bien es probable que los nuevos carburos tengan propiedades industriales deseables, se destacó una combinación improbable: una combinación de molibdeno, niobio, tantalio, vanadio y tungsteno llamada MoNbTaVWC5 para abreviar.
"Hacer que este conjunto de elementos se combine es básicamente como tratar de juntar un montón de cuadrados y hexágonos", dijo Cormac Toher, profesor asistente de investigación en el laboratorio de Curtarolo. "Siguiendo la intuición solo, nunca pensarías esa combinaciónsería factible. Pero resulta que los mejores candidatos son realmente contraintuitivos "
"Todavía no conocemos sus propiedades exactas porque no se ha probado completamente", dijo Curtarolo. "Pero una vez que lo llevemos al laboratorio en los próximos dos meses, no me sorprendería si resultarafuera el material más duro con el punto de fusión más alto jamás creado "
"Esta colaboración es un equipo de investigadores centrados en demostrar las implicaciones únicas y potencialmente cambiantes de paradigma de este nuevo enfoque", dijo Vecchio. "Estamos utilizando enfoques innovadores para el modelado de primeros principios combinados con tecnología de puntaherramientas de síntesis y caracterización para proporcionar la metodología integrada de 'circuito cerrado' tan necesaria para el descubrimiento avanzado de materiales ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Duke . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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