Los investigadores de A * STAR han demostrado, a través de una simulación de supercomputadora, que la alta resistencia y la memoria de forma se pueden lograr al mismo tiempo combinando granos de cristal de diferentes tamaños, una hazaña que antes se pensaba imposible. Este hallazgo demuestra el potencial de las simulaciones avanzadas para adaptar materiales a fin de lograr propiedades físicas previamente inalcanzables.

Las aleaciones con memoria de forma (SMA) son materiales que pueden volver a su forma original al calentarse después de deformarse a baja temperatura, una propiedad que se utiliza en aplicaciones como interruptores a nanoescala y dispositivos médicos como stents y aparatos ortopédicos.

Sin embargo, Las aleaciones con memoria de forma pierden su funcionalidad cuando el tamaño de los granos de cristal constituyentes cae por debajo de un cierto límite, típicamente unas pocas decenas de nanómetros.

"Se han propuesto un par de teorías sobre por qué está sucediendo esto, ", dice Jerry Quek del Instituto de Computación de Alto Rendimiento de A * STAR." Creemos que es más difícil que la transformación de la memoria tenga lugar en los límites de los granos que dentro de los granos mismos. Esto crea una superficie adicional entre la fase de memoria transformada dentro del grano y la fase no transformada en el límite del grano, lo que eventualmente conduce a la supresión total de la transformación en tamaños de grano muy pequeños ".

Esto es importante porque las SMA, como la mayoría de los metales policristalinos, se vuelven fuertes en tamaños de grano muy pequeños, donde se pierde el efecto memoria. Si bien obtener fuerza y ​​memoria al mismo tiempo en el mismo material parecía imposible, pero si se logró, podría ampliar drásticamente la aplicación potencial y las funcionalidades útiles de las SMA.

"Nos motivaron algunos estudios anteriores que mostraron que la combinación de dos tamaños de grano diferentes podría resultar en una amalgama de propiedades útiles como resistencia y ductilidad, "dice Quek". Sin embargo, Se desconocía el papel de estos tipos de microestructuras en las AME. Un enfoque de simulación es muy eficiente para investigar tales procesos de optimización, ya que se puede estudiar sistemáticamente un gran conjunto de simulaciones para diferentes variaciones de la microestructura del grano ".

Tales simulaciones no son triviales, sin embargo, y tienen un costo computacional muy alto. El equipo de Quek hizo un amplio uso del Centro Nacional de Supercomputación de Singapur, ejecutar un código que simuló laboriosamente el cambio de energía relacionado con la estructura atómica dentro y alrededor de hasta 3, 000 granos de cristal. Luego, el equipo tuvo que ejecutar cientos de estas simulaciones con diferentes configuraciones de tamaño de cristal para confirmar las estadísticas.

"Estábamos principalmente interesados ​​en la transformación de fase de austenita-martensita reversible, "explica Quek." Las fases austenítica y martensítica tienen diferentes arreglos atómicos, y la memoria de forma es posible si el material se puede cambiar de forma reversible entre las dos fases, por ejemplo, cambiando la temperatura ".

Para estudiar el comportamiento de esta fase, el equipo simuló y observó cómo se desarrollaba la fase martensítica templando una aleación inicial de hierro-paladio en estado austenítico. Al estudiar una amplia gama de combinaciones de tamaño de grano, los investigadores pudieron demostrar que la formación de la fase martensítica, y de ahí la aparición de la memoria de forma, podría controlarse modificando la distribución del tamaño de grano de la microestructura.

"Descubrimos que la introducción de una población de granos más grandes en medio de granos de tamaño nanométrico reintroduce el efecto de memoria de forma al tiempo que conserva la alta resistencia de la estructura a nanoescala, que podría tener aplicaciones en situaciones en las que tanto la fuerza como el efecto de memoria de forma son importantes, "dice Quek." También mostramos que para una cierta combinación de tamaños de grano, podemos obtener una microestructura en la que una región sufre una transformación de fase a martensita mientras que otras regiones permanecen austeníticas, que ofrece la posibilidad de diseñar materiales con un grado variable de funcionalidad de memoria de forma en un material ".