Los avances más significativos en la civilización humana están marcados por la progresión de los materiales que usan los humanos. La Edad de Piedra dio paso a la Edad del Bronce, que a su vez dio paso a la Edad del Hierro. Los nuevos materiales alteran las tecnologías de la época, mejorando la vida y la condición humana.

Las tecnologías modernas también se pueden rastrear directamente a las innovaciones en los materiales utilizados para fabricarlas, como lo ejemplifica el uso de silicio en chips de computadora y aceros de última generación que sustentan la infraestructura. Por siglos, sin embargo, Los materiales y el diseño de la aleación se han basado en el uso de una base, o director, elemento, a las que se añaden pequeñas fracciones de otros elementos. Toma acero por ejemplo, en el que pequeñas cantidades de carbono se agregan al elemento principal hierro (Fe), conducir a propiedades mejoradas. Cuando se agregan pequeñas cantidades de otros elementos, el acero se puede adaptar para, decir, resistencia mejorada a la corrosión o resistencia mejorada.

Se remonta a una idea propuesta en 2004, los últimos años han sido testigos del surgimiento de un nuevo paradigma en el diseño de aleaciones, en el que tres o más elementos se mezclan en proporciones aproximadamente iguales. Aleaciones de elementos multiprincipales con nombre (MPEA), o a menudo conocido como un subconjunto de estas aleaciones llamadas aleaciones de alta entropía, Estos materiales difuminan la distinción entre poblaciones de elementos mayoritarias y minoritarias. Esta unión más perfecta de socios atómicos que componen el material colectivo exhibe propiedades interesantes que les permiten desempeñarse mejor que sus contrapartes tradicionales.

"Algunos de estos materiales exhiben combinaciones excepcionales de resistencia, ductilidad y tolerancia al daño, "escribe un equipo de investigadores de la Universidad de California en Santa Bárbara, incluidos los profesores de materiales Dan Gianola, Tresa Pollock e Irene Beyerlein, y el investigador postdoctoral Fulin Wang, y sus coautores en un artículo publicado hoy en la revista Ciencias . "Las aleaciones refractarias [hechas de un grupo de nueve elementos metálicos en la tabla periódica que son altamente resistentes al calor y al desgaste] son ​​candidatos atractivos para su uso a temperaturas extremadamente altas asociadas con muchas aplicaciones tecnológicas".

Los MPEA motivaron el desarrollo de MPEA refractarios, fabricado por primera vez en 2010. Pero el uso de múltiples aleaciones aumenta casi infinitamente el número de posibles "recetas" de aleaciones. La gran cantidad de combinaciones que se pueden lograr prepara el escenario para el uso del cribado computacional avanzado y el aprendizaje automático para apuntar a los subconjuntos de materiales que tienen las propiedades más interesantes y deseables.

"Para que estos enfoques tengan éxito, Es fundamental que el proceso de diseño de la aleación esté guiado por la comprensión de los orígenes de las propiedades específicas que se desean. "escribe Julie Cairney, profesor de la Escuela de Aeroespacial, Ingeniería Mecánica y Mecatrónica, en la Universidad de Sydney, en Australia, en una pieza complementaria.

En su Ciencias papel, el equipo de UCSB y colegas de la Universidad de Kentucky, el Laboratorio de Investigación Naval de EE. UU., y el Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea de EE. UU. sugieren una forma de mejorar la capacidad de predecir qué aleaciones podrían tener propiedades valiosas.

La principal de estas propiedades es la capacidad de una aleación para deformarse, es decir, estar moldeado o doblado, sin agrietarse y para mantener su integridad material bajo las cargas excesivas y el alto calor encontrado en ambientes extremos, como en las alas de un avión, motores de cohetes y turbinas industriales.

"A nivel atómico, un material se deforma, o cambia de forma, como resultado de átomos en movimiento, "explicó Wang, un postdoctorado en el laboratorio de Gianola.

Las estructuras cristalinas de los metales están formadas por planos de átomos apilados organizados en una cuadrícula muy regular. Cuando un metal se deforma, los átomos se mueven, o deslizarse, uno sobre el otro en la cuadrícula. La línea que separa las regiones donde los átomos se han movido y donde no se llama dislocación. Las propiedades de las dislocaciones, incluida la facilidad y el lugar donde se pueden mover, por lo tanto, se vuelven muy importantes para los comportamientos de deformación del material.

A pesar de las ventajas de las aleaciones MPE, el progreso en su diseño ha sido lento. Si bien los enfoques tradicionales de prueba y error son ineficaces, desde aproximadamente 2017, Se dedicaron más esfuerzos de investigación a desarrollar teorías para tratar de identificar la razón subyacente por la que una aleación en particular tenía propiedades deseables.

"Pero, "Wang dijo, "Hay una falta de evidencia experimental para informar algunos elementos críticos de la teoría. Cuando comencé a trabajar en este proyecto, mi pregunta inmediata fue, ¿Qué tienen de especial los MPEA en comparación con las aleaciones tradicionales? Dado que estamos interesados ​​en las propiedades mecánicas, nos centramos en las dislocaciones ".

En este estudio, los investigadores utilizaron microscopía electrónica para investigar las configuraciones de las dislocaciones y revelar los orígenes mecanicistas que dan lugar a propiedades deseables en una aleación modelo. Combinado con las simulaciones atomísticas del grupo de Irene Beyerlein, demostraron que el campo aleatorio de diferentes elementos desbloquea múltiples vías para los movimientos de dislocación, características no disponibles en aleaciones convencionales.

"Para dislocaciones convencionales, la fuerza para romper los enlaces atómicos en una dislocación tiene un valor único porque todos los átomos son iguales, ", Dijo Beyerlein." Para la dislocación del MPE, esta fuerza no puede ser determinista. La estructura de una dislocación MPE se redefine a medida que intenta moverse a través de entornos atómicos que cambian aleatoriamente.

"Con nuestros cálculos atomísticos, Adoptamos el enfoque de esperar lo inesperado y probamos no solo los modos habituales, sino también modos adicionales de deslizamiento superiores, típicamente desatendido en la literatura hasta la fecha, ", agregó." También realizamos miles de cálculos, lo que expuso cuán variada puede ser esta fuerza crítica de dislocación y cuán favorables son los modos alternativos de deslizamiento superiores ".

El estudio es parte de un esfuerzo de colaboración más amplio dirigido por Pollock y financiado por la Oficina de Investigación Naval. llamado MPE.edu, que también involucra a los investigadores de UCSB Carlos Levi y Anton van der Ven, destinado a obtener conocimientos fundamentales sobre la mejor manera de explorar el vasto espacio de aleación refractaria.

"Si bien las aleaciones de composición compleja nos interesan desde hace mucho tiempo, el progreso en la exploración del gran espacio compositivo ha sido lento, "dijo Pollock." Con el proyecto MPE, reunimos a un equipo que utilizó computacional emergente, aprendizaje automático, y herramientas experimentales, que nos han permitido descubrir nuevos comportamientos y explorar rápidamente nuevos dominios de composición. Los muy altos puntos de fusión de los materiales refractarios de interés los han hecho notoriamente difíciles de fabricar y estudiar en el pasado. pero nuestros nuevos enfoques, combinado con la posibilidad de impresión 3D, cambiar completamente el paisaje ".

"Este trabajo es emblemático del verdadero poder de combinar experimentos con simulación y teoría, ", Dijo Gianola." Muchos investigadores hablan de boquilla a esta sinergia, pero este estudio no podría haber ido tan lejos como lo hizo sin el constante ir y venir entre los grupos experimentales y de simulación. El futuro parece muy brillante ".