Un equipo de científicos ha obtenido la plata más fuerte de la historia:un 42 por ciento más fuerte que el récord mundial anterior. Pero ese no es el punto importante.

"Hemos descubierto un nuevo mecanismo en funcionamiento a nanoescala que nos permite fabricar metales que son mucho más fuertes que cualquier cosa que se haya fabricado antes, sin perder ninguna conductividad eléctrica, "dice Frederic Sansoz, un científico de materiales y profesor de ingeniería mecánica en la Universidad de Vermont que codirigió el nuevo descubrimiento.

Este avance fundamental promete una nueva categoría de materiales que pueden superar una compensación tradicional en materiales industriales y comerciales entre resistencia y capacidad para transportar corriente eléctrica.

Los resultados del equipo fueron publicados el 23 de septiembre en la revista Materiales de la naturaleza .

Repensar el defecto

Todos los metales tienen defectos. A menudo, estos defectos conducen a cualidades indeseables, como fragilidad o ablandamiento. Esto ha llevado a los científicos a crear varias aleaciones o mezclas pesadas de material para hacerlas más fuertes. Pero a medida que se vuelven más fuertes pierden conductividad eléctrica.

"Nos preguntamos, ¿Cómo podemos hacer un material con defectos pero superar el ablandamiento conservando la electroconductividad, "dijo Morris Wang, científico principal del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore y coautor del nuevo estudio.

Mezclando una pequeña cantidad de cobre en la plata, el equipo demostró que puede transformar dos tipos de defectos inherentes a nanoescala en una poderosa estructura interna. "Eso es porque las impurezas son atraídas directamente por estos defectos, "explica Sansoz. En otras palabras, el equipo utilizó una impureza de cobre, una forma de dopaje o "microaleación", como la denominan los científicos, para controlar el comportamiento de los defectos en la plata. Como una especie de jiu-jitsu a escala atómica, los científicos invirtieron los defectos a su favor, usándolos tanto para fortalecer el metal como para mantener su conductividad eléctrica.

Para hacer su descubrimiento, el equipo, incluidos expertos de UVM, Laboratorio Nacional Lawrence Livermore, el laboratorio de Ames, El Laboratorio Nacional de Los Alamos y UCLA:comenzaron con una idea fundamental de la ingeniería de materiales:a medida que el tamaño de un cristal (o grano) de material se hace más pequeño, se vuelve más fuerte. Los científicos llaman a esto la relación Hall-Petch. Este principio de diseño general ha permitido a científicos e ingenieros construir aleaciones más fuertes y cerámicas avanzadas durante más de 70 años. Funciona muy bien.

Hasta que no lo haga. Finalmente, cuando los granos de metal alcanzan un tamaño infinitesimalmente diminuto, de menos de decenas de nanómetros de ancho, los límites entre los granos se vuelven inestables y comienzan a moverse. Por lo tanto, Otro enfoque conocido para fortalecer metales como la plata utiliza "límites gemelos coherentes a nanoescala, "que son un tipo especial de límite de grano. Estas estructuras de átomos emparejados, que forman una interfaz cristalina simétrica similar a un espejo, son extremadamente resistentes a la deformación. Excepto que estos límites gemelos, también, se vuelven blandos cuando su espaciamiento cae por debajo de un tamaño crítico de unos pocos nanómetros, debido a imperfecciones.

Propiedades sin precedentes

Hablando muy groseramente, Los nanocristales son como parches de tela y los nanotwins son como hilos fuertes pero diminutos en la tela. Excepto que están a escala atómica. La nueva investigación combina ambos enfoques para hacer lo que los científicos llaman un "metal nanocristalino-nanotwinning, "que tiene" propiedades mecánicas y físicas sin precedentes, "escribe el equipo.

Eso es porque los átomos de cobre, ligeramente más pequeño que los átomos de plata, moverse hacia defectos tanto en los límites de grano como en los límites gemelos. Esto permitió al equipo, utilizando simulaciones por computadora de átomos como punto de partida y luego moviéndose hacia metales reales con instrumentos avanzados en los Laboratorios Nacionales, crear la nueva forma súper fuerte de plata. Las diminutas impurezas de cobre dentro de la plata inhiben el movimiento de los defectos, pero son una cantidad tan pequeña de metal (menos del uno por ciento del total) que se retiene la rica conductividad eléctrica de la plata. "Las impurezas del átomo de cobre van a lo largo de cada interfaz y no entre ellas, "Sansoz explica." Para que no interrumpan los electrones que se están propagando ".

Este metal no solo supera el ablandamiento observado anteriormente a medida que los granos y los límites gemelos se vuelven demasiado pequeños, la llamada "ruptura de Hall-Petch", sino que incluso supera el límite teórico de Hall-Petch de larga data. El equipo informa que se puede encontrar una "resistencia máxima ideal" en metales con límites gemelos que están separados por menos de siete nanómetros. solo unos pocos átomos. Y una versión tratada térmicamente de la plata con cordones de cobre del equipo tiene una medida de dureza por encima de lo que se pensaba que era el máximo teórico.

"Hemos batido el récord mundial, y el límite Hall-Petch también, no solo una sino varias veces en el curso de este estudio, con experimentos muy controlados, "dice Sansoz.

Sansoz confía en que el enfoque del equipo para fabricar plata súper fuerte y aún conductora se puede aplicar a muchos otros metales. "Esta es una nueva clase de materiales y apenas estamos empezando a comprender cómo funcionan, ", dice. Y anticipa que la ciencia básica revelada en el nuevo estudio puede conducir a avances en tecnologías, desde células solares más eficientes hasta aviones más ligeros y plantas de energía nuclear más seguras". Cuando se puede hacer que el material sea más fuerte, puedes usar menos, y dura más, " él dice, "y ser conductor de electricidad es fundamental para muchas aplicaciones".