Durante casi 100 años, los científicos pensaban que entendían todo lo que había que saber sobre cómo se doblan los metales. Estaban equivocados.

Investigadores de ciencia e ingeniería de materiales de la Universidad de Wisconsin-Madison han demostrado que las reglas de doblado de metales no son tan estrictas y rápidas después de todo. Describieron sus hallazgos el 9 de agosto en la revista. Comunicaciones de la naturaleza .

Su sorprendente descubrimiento no solo cambia las nociones anteriores sobre cómo se deforman los metales, pero podría ayudar a guiar la creación de más fuertes, materiales más duraderos.

"Esto crea nuevas oportunidades para el diseño de materiales, "dice Izabela Szlufarska, profesor de ciencia e ingeniería de materiales en UW-Madison. "Agrega otro parámetro que podemos controlar para permitir la resistencia y la ductilidad".

La ductilidad es la capacidad de un metal para doblarse. La mayoría de los enfoques para aumentar la resistencia de un metal lo hacen a expensas de la flexibilidad y, a medida que los metales se vuelven más resistentes a la flexión, es más probable que se quiebren bajo presión.

Sin embargo, El nuevo mecanismo de flexión de los investigadores podría permitir a los ingenieros fortalecer un material sin correr el riesgo de fracturas.

Es un avance que tiene especial interés para el Ejército de los Estados Unidos, que tiene una necesidad urgente de materiales resistentes y duraderos para mantener a las tropas seguras en las zonas de combate.

"El profesor Szlufarska ha abierto un área completamente nueva para la exploración de procesamiento y diseño de materiales estructurales, "dijo Michael Bakas, Gerente del programa de síntesis y procesamiento en la Oficina de Investigación del Ejército en el Laboratorio de Investigación del Ejército del Comando de Desarrollo de Capacidades de Combate del Ejército de los EE. UU. "Al hacer un descubrimiento tan impactante, El profesor Szlufarska potencialmente ha sentado las bases técnicas para el desarrollo de una nueva generación de materiales estructurales avanzados que eventualmente podrían emplearse en futuros equipos y vehículos del Ejército ".

Los ingenieros suelen manipular la resistencia de un metal mediante técnicas como el trabajo en frío o el recocido, que ejercen sus efectos a través de pequeños, pero importante, irregularidades estructurales llamadas dislocaciones.

"Todos en la comunidad de los metales saben que las dislocaciones son críticas, "dice Szlufarska.

Es una obviedad que se lleva a cabo desde 1934, cuando tres investigadores se dieron cuenta de forma independiente de que la dislocación explicaba una paradoja milenaria:los metales son mucho más fáciles de doblar de lo que sugerirían sus estructuras moleculares, que típicamente toman la forma de cuadrículas tridimensionales que se repiten regularmente.

Las dislocaciones son pequeñas irregularidades en la red cristalina de un metal, por lo demás bien ordenada. Surgen de pequeños desajustes:imagina las páginas de un libro como filas de átomos, e imagina cómo la ordenada pila de papel se distorsiona ligeramente en el lugar donde alguien inserta un marcador.

Los metales normales se doblan porque las dislocaciones pueden moverse, permitiendo que un material se deforme sin romper todos los enlaces dentro de su celosía de cristal a la vez.

Las técnicas de fortalecimiento suelen restringir el movimiento de las dislocaciones. Así que fue un gran impacto cuando Szlufarska y sus colegas descubrieron que el material samario cobalto, conocido como intermetálico, se doblaba fácilmente, a pesar de que sus dislocaciones estaban bloqueadas en su lugar.

"Se creía que los materiales metálicos serían intrínsecamente frágiles si el deslizamiento de dislocación era raro, "dice Hubin Luo, ex científico del personal del laboratorio de Szlufarska que ahora trabaja en el Instituto de Tecnología Industrial de Ningbo en China. "Sin embargo, nuestro estudio reciente muestra que un intermetálico puede deformarse plásticamente en una cantidad significativa incluso cuando el deslizamiento de dislocación está ausente ".

En lugar de, doblar el cobalto de samario provocó la formación de bandas estrechas dentro de la red cristalina, donde las moléculas asumieron una configuración "amorfa" de forma libre en lugar de la regular, estructura en forma de rejilla en el resto del metal.

Esas bandas amorfas permitieron que el metal se doblara.

"Es casi como lubricación, ", dice Szlufarska." Predijimos esto en simulaciones, y también vimos las bandas de cizallamiento amorfas en nuestros estudios de deformación y experimentos de microscopía electrónica de transmisión ".

Una combinación de simulaciones computacionales y estudios experimentales fue fundamental para explicar el desconcertante resultado, razón por la cual Szlufarska y su grupo estaban excepcionalmente preparados para abrir el misterio.

"A menudo es más fácil realizar simulaciones teóricas para explicar los resultados experimentales existentes, "dice Hongliang Zhang, un becario postdoctoral de UW-Madison. "Aquí, En primer lugar, predijimos teóricamente la existencia de bandas de cizallamiento y su papel en la plasticidad en el samario cobalto; estos fueron fenómenos completamente sorprendentes. Luego confirmamos estos resultados experimentalmente con muchos tipos diferentes de experimentos para probar nuestra teoría y asegurarnos de que el fenómeno predicho se puede observar en la naturaleza ".

Los investigadores planean buscar otros materiales que también puedan doblarse de esta manera peculiar. Finalmente, esperan utilizar el fenómeno para ajustar las propiedades de un material en cuanto a resistencia y flexibilidad.

"Esto podría cambiar la forma en que busca la optimización de las propiedades del material, ", dice Szlufarska." Sabemos que es diferente, sabemos que es nuevo y creemos que podemos usarlo ".