Los científicos de materiales de la Universidad de Duke y UC San Diego han descubierto una nueva clase de carburos que se espera esté entre los materiales más duros con los puntos de fusión más altos que existen. Hecho de metales económicos, Los nuevos materiales pronto encontrarán uso en una amplia gama de industrias, desde maquinaria y hardware hasta aeroespacial.

Un carburo es tradicionalmente un compuesto que consta de 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 de herramientas de corte o partes de un vehículo espacial.

También existe una pequeña cantidad 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 tener propiedades deseables.

Un equipo de científicos de materiales de la Universidad de Duke y UC San Diego ha anunciado el descubrimiento de una nueva clase de carburos que unen el 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 .

Logrando estabilidad a partir de la mezcla caótica de sus átomos en lugar de una estructura atómica ordenada, Los investigadores de la Universidad de Duke predijeron computacionalmente la existencia de estos materiales y luego los sintetizaron con éxito en la Universidad de California en San Diego.

"Estos materiales son más duros y livianos que los carburos actuales, "dijo Stefano Curtarolo, profesor de ingeniería mecánica y ciencia de los materiales en Duke. "También tienen puntos de fusión muy altos y están hechos de mezclas de materiales relativamente baratos. Esta combinación de atributos debería hacerlos muy útiles para una amplia gama de industrias".

Cuando los estudiantes aprenden sobre estructuras moleculares, se les muestran cristales como la sal, que se asemeja a un tablero de ajedrez en 3D. Estos materiales obtienen su estabilidad y resistencia a través de enlaces atómicos ordenados donde los átomos encajan como piezas de un rompecabezas.

Imperfecciones en una estructura cristalina, sin embargo, a menudo puede 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. El endurecimiento de los metales sólidos mediante la creación de la cantidad perfecta de desorden se logra mediante un proceso de calentamiento y enfriamiento llamado recocido.

La nueva clase de carburos de cinco metales lleva esta idea al siguiente nivel. Desechando cualquier dependencia de estructuras cristalinas y enlaces para su estabilidad, estos materiales dependen completamente del desorden. Si bien una pila de pelotas de béisbol no se mantendrá por sí sola, un montón de pelotas de béisbol, Zapatos, murciélagos los sombreros y los guantes podrían hacerlo.

La dificultad radica en predecir qué combinación de elementos se mantendrá firme. Intentar fabricar nuevos materiales es caro y requiere mucho tiempo. Calcular interacciones atómicas a través de simulaciones del primer principio lo es aún más. Y con cinco ranuras para elementos metálicos y 91 para elegir, la cantidad de recetas potenciales rápidamente se vuelve abrumadora.

"Para averiguar qué combinaciones se combinarán bien, tienes que hacer un análisis espectral basado en la entropía, "dijo Pranab Sarker, asociado postdoctoral en el laboratorio de Curtarolo y uno de los primeros autores del artículo. "La entropía requiere mucho tiempo y es difícil de calcular construyendo un modelo átomo por átomo. Así que probamos 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 tomaría un carburo de cinco metales potencial para formar un gran conjunto de configuraciones aleatorias.

Si los resultados estuvieran muy separados, Indicó que la combinación probablemente favorecería una sola configuración y se desmoronaría, como si tuviera demasiadas pelotas de béisbol en la mezcla. Pero si hubiera muchas configuraciones agrupadas estrechamente, indicó que el material probablemente formaría muchas estructuras diferentes a la vez, proporcionando el desorden necesario para la estabilidad estructural.

Luego, el grupo probó su teoría consiguiendo que su colega Kenneth Vecchio, profesor de Nanoingeniería en UC San Diego, para intentar fabricar nueve de los compuestos. Esto se hizo combinando los elementos de cada receta en forma de polvo fino, presionándolos a temperaturas de hasta 4, 000 grados Fahrenheit y 2000 amperios de corriente directamente a través de ellos.

"Aprender a procesar estos materiales fue una tarea difícil, "dijo Tyler Harrington, un doctorado estudiante en el laboratorio de Vecchio y co-primer autor del artículo. "Se comportan de manera diferente a cualquier material con el que nos hayamos enfrentado, incluso los carburos tradicionales ".

Eligieron las tres recetas que su sistema consideró más probables para formar un material estable, los dos menos probables, y cuatro combinaciones aleatorias que puntuaron en el medio. 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 todos los nuevos carburos tengan propiedades industriales deseables, una combinación improbable se destacó:una combinación de molibdeno, niobio, tantalio vanadio y tungsteno llamados MoNbTaVWC5 para abreviar.

"Hacer que este conjunto de elementos se combine es básicamente como intentar juntar un montón de cuadrados y hexágonos, "dijo Cormac Toher, profesor asistente de investigación en el laboratorio de Curtarolo. "Siguiendo solo la intuición, nunca pensarías que esa combinación sería factible. Pero resulta que los mejores candidatos son en realidad contrarios a la intuición ".

"Aún no conocemos sus propiedades exactas porque no se ha probado completamente, "dijo Curtarolo." Pero una vez que lo tengamos en el laboratorio en los próximos meses, No me sorprendería que resultara ser el material más duro con el punto de fusión más alto jamás fabricado ".

"Esta colaboración es un equipo de investigadores centrado 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 herramientas de caracterización y síntesis de última generación para proporcionar la metodología integrada de 'circuito cerrado' tan necesaria para el descubrimiento avanzado de materiales ".