No puedes verlos pero la mayoría de los metales que te rodean:monedas, cubiertos, incluso las vigas de acero que sostienen edificios y pasos elevados están formadas por diminutos granos de metal. Bajo un microscopio lo suficientemente potente, puede ver cristales entrelazados que parecen una encimera de granito.

Los científicos de materiales saben desde hace mucho tiempo que los metales se vuelven más fuertes a medida que el tamaño de los granos que lo componen se hace más pequeño, hasta cierto punto. Si los granos tienen menos de 10 nanómetros de diámetro, los materiales son más débiles porque, se pensó, se deslizan unos junto a otros como arena deslizándose por una duna. La fuerza de los metales tenía un límite.

Pero los experimentos dirigidos por el ex becario postdoctoral de la Universidad de Utah Xiaoling Zhou, ahora en la Universidad de Princeton, profesor asociado de geología Lowell Miyagi, y Bin Chen en el Centro de Investigación Avanzada en Ciencia y Tecnología de Alta Presión en Shanghai, Porcelana, muestran que ese no es siempre el caso, en muestras de níquel con diámetros de grano tan pequeños como 3 nanómetros, y bajo altas presiones, la resistencia de las muestras siguió aumentando con tamaños de grano más pequeños.

El resultado, Zhou y Miyagi dicen:es una nueva comprensión de cómo los átomos individuales de los granos de metal interactúan entre sí, así como una forma de usar esa física para lograr metales súper fuertes. Su estudio, realizado con colegas de la Universidad de California, Berkeley y en universidades de China, se publica en Naturaleza .

"Nuestros resultados sugieren una posible estrategia para fabricar metales ultrafuertes, "Dice Zhou". En el pasado, los investigadores creían que el tamaño de grano más fuerte era de alrededor de 10 a 15 nanómetros. Pero ahora descubrimos que podíamos fabricar metales más fuertes por debajo de los 10 nanómetros ".

Pasando Hall-Petch

Para la mayoría de los objetos metálicos, Miyagi dice:los tamaños de los granos de metal son del orden de unos pocos a unos cientos de micrómetros, aproximadamente el diámetro de un cabello humano. "Los cubiertos de alta gama suelen tener un mejor y más homogéneo, estructura de grano que puede permitirle obtener una mejor ventaja, " él dice.

La relación previamente entendida entre la resistencia del metal y el tamaño del grano se denominó relación Hall-Petch. La resistencia del metal aumentó a medida que disminuyó el tamaño de grano, según Hall-Petch, hasta un límite de 10-15 nanómetros. Ese es un diámetro de solo cuatro a seis hebras de ADN. Los tamaños de grano por debajo de ese límite simplemente no eran tan fuertes. Entonces, para maximizar la fuerza, los metalúrgicos apuntarían a los tamaños de grano efectivos más pequeños.

"El refinamiento del tamaño de grano es un buen enfoque para mejorar la resistencia, "Dice Zhou." Así que fue bastante frustrante, en el pasado, para encontrar este enfoque de refinamiento del tamaño de grano ya no funciona por debajo de un tamaño de grano crítico ".

La explicación del debilitamiento por debajo de los 10 nanómetros tuvo que ver con la forma en que interactuaban las superficies de los granos. Las superficies de los granos tienen una estructura atómica diferente a los interiores, Dice Miyagi. Mientras los granos se mantengan unidos por el poder de la fricción, el metal conservaría su fuerza. Pero en tamaños de grano pequeños, se pensó, los granos simplemente se deslizarían unos sobre otros bajo tensión, conduciendo a un metal débil.

Las limitaciones técnicas impedían previamente los experimentos directos con nanogranos, aunque, lo que limita la comprensión de cómo se comportaron los granos a nanoescala y si aún puede haber una fuerza sin explotar por debajo del límite de Hall-Petch. "Así que diseñamos nuestro estudio para medir la fuerza de los nanometales, "Dice Zhou.

Bajo presión

Los investigadores analizaron muestras de níquel, un material que está disponible en una amplia gama de tamaños de nanogranos, hasta tres nanómetros. Sus experimentos consistieron en colocar muestras de varios tamaños de grano bajo intensas presiones en una celda de yunque de diamante y usar difracción de rayos X para observar lo que estaba sucediendo a nanoescala en cada muestra.

"Si alguna vez has jugado con un resorte, probablemente lo ha tirado lo suficientemente fuerte como para arruinarlo y que no haga lo que se supone que debe hacer, "Dice Miyagi." Eso es básicamente lo que estamos midiendo aquí; cuán fuerte podemos presionar este níquel hasta que lo deformemos más allá del punto en el que pueda recuperarse ".

La resistencia continuó aumentando hasta el tamaño de grano más pequeño disponible. La muestra de 3 nm resistió una fuerza de 4.2 gigapascales (aproximadamente la misma fuerza que diez 10, 000 libras elefantes en equilibrio sobre un único tacón) antes de deformarse irreversiblemente. Eso es diez veces más fuerte que el níquel con un tamaño de grano de grado comercial.

No es que la relación Hall-Petch se haya roto, Miyagi dice:pero que la forma en que interactuaban los granos era diferente en las condiciones experimentales. La alta presión probablemente superó los efectos de deslizamiento del grano.

"Si junta dos granos con mucha fuerza, " él dice, "Es difícil para ellos deslizarse unos sobre otros porque la fricción entre los granos se vuelve grande, y puede suprimir estos mecanismos de deslizamiento de los límites de grano que resultan ser responsables de este debilitamiento ".

Cuando se suprimió el deslizamiento de los límites de grano en tamaños de grano por debajo de 20 nm, los investigadores observaron un nuevo mecanismo de deformación a escala atómica que resultó en un fortalecimiento extremo en las muestras de grano más fino.

Posibilidades ultrafuertes

Zhou dice que uno de los avances de este estudio está en su método para medir la resistencia de los materiales a nanoescala de una manera que no se había hecho antes.

Miyagi dice que otro avance es una nueva forma de pensar sobre el fortalecimiento de los metales, mediante la ingeniería de las superficies de sus granos para suprimir el deslizamiento de los granos.

"No tenemos muchas aplicaciones, industrialmente, de cosas donde las presiones son tan altas como en estos experimentos, pero al mostrar que la presión es una forma de suprimir la deformación del límite del grano, podemos pensar en otras estrategias para suprimirla, tal vez usando microestructuras complicadas donde tiene formas de grano que inhiben el deslizamiento de los granos entre sí ".