Los científicos e ingenieros de materiales tienen como objetivo diseñar y desarrollar vidrios metálicos a granel (BMG) con excelentes propiedades. El principal desafío técnico es aumentar su tamaño y mejorar las propiedades del material en el laboratorio. Ahora escribiendo en Avances de la ciencia , Jiang Ma y un equipo de investigadores interdisciplinarios abordaron el problema colaborando en los departamentos de Ingeniería Micro / Nano Optomecatrónica, Ingeniería Mecánica, Investigación en Ciencias Computacionales e Institutos de Mecánica y Física. Demostraron un nuevo método para sintetizar BMG (vidrios metálicos a granel) y compuestos de vidrio-vidrio metálico utilizando cintas de vidrio metálico. Usando vibraciones ultrasónicas, activaron completamente la relajación de la tensión a escala atómica dentro de la capa superficial ultrafina para acelerar la unión atómica entre las cintas a baja temperatura; muy por debajo del punto de transición vítrea. El nuevo enfoque superó los límites de tamaño y composición asociados con los métodos convencionales para facilitar la unión rápida de vidrios metálicos de distintas propiedades físicas sin cristalización. El trabajo de investigación abre una nueva ventana para sintetizar BMG de composición extendida para permitir el descubrimiento de compuestos de vidrio-vidrio multifuncionales que hasta ahora no se han reportado.

El vidrio es un material indispensable a lo largo de la historia de la humanidad, desempeñando un papel práctico en la investigación científica y la vida diaria. Las variantes de vidrio naturales o artificiales encuentran aplicaciones extremas en la óptica, biotecnología, medicina y electrónica. Los vidrios metálicos a granel son un buen material modelo para el estudio de la estructura y propiedades de vidrios densos de empaque aleatorio. atrayendo mucha atención desde su descubrimiento. Los materiales son muy prometedores en futuras aplicaciones para desarrollar artículos deportivos, dispositivos biomédicos y dispositivos electrónicos debido a su alto límite elástico y excelente resistencia al desgaste / radiación.

Sin embargo, las velocidades de cristalización de los líquidos metálicos formadores de vidrio conocidos siguen siendo órdenes de magnitud más altas que las de los materiales formadores de vidrio comunes, como los polímeros, silicatos o líquidos moleculares. Como resultado, la capacidad de formación de vidrio (GFA) sigue siendo un problema de larga data para la investigación fundamental, al tiempo que introduce un cuello de botella para las posibles aplicaciones de las BMG. En la actualidad, el GFA superior solo se encuentra en un número limitado de sistemas para formar plomo (Pd), BMG a base de circonio (Zr) y titanio (Ti). Los investigadores han realizado esfuerzos sustanciales en el pasado para comprender y mejorar el GFA de las BMG para superar los límites existentes mediante la incorporación de la termodinámica, sinterización de plasma de chispa, métodos de unión de termoplásticos y, más recientemente, selección de componentes de alto rendimiento guiada por inteligencia artificial.

Los investigadores han descubierto que la movilidad superficial de los materiales amorfos (materiales sin estructura cristalina detectable) es mucho más rápida que a granel mediante el estudio de una variedad de materiales. También existe una fuerte evidencia para extender la dinámica superficial rápida desde capas monoatómicas a la escala nanométrica para formar materiales amorfos. Si bien el trabajo anterior sugiere que la dinámica atómica de superficie rápida puede unir vidrios metálicos de diferentes tipos, El simple hecho de tocar dos superficies de vidrio metálico a bajas temperaturas no facilita inmediatamente la formación de uniones metálicas. Para unir vidrios metálicos acelerando la movilidad atómica superficial, hay que aplicar presión y subir la temperatura. En el presente trabajo, Ma et al. aceleró drásticamente la movilidad de la superficie para crear una unión metálica ultrarrápida bajo vibraciones ultrasónicas a temperatura ambiente. Superaron el límite de la capacidad de formación de vidrio (GFA) para sintetizar BMG (vidrios metálicos a granel) y formar compuestos de vidrio metálico (GGC) que no se han informado hasta ahora.

Para explorar la energía de activación en la superficie del vidrio metálico y en el volumen, los científicos aplicaron simulaciones de dinámica molecular (MD) combinadas con la técnica nouveau de activación-relajación (ARTn). Físicamente, la energía de activación está relacionada con la energía requerida para desencadenar saltos locales entre subcuencas vecinas en el panorama energético potencial. Analizar estadísticamente los perfiles de distribución de energía de activación en la superficie de un vidrio metálico, El equipo de investigación dividió el modelo de muestra en diferentes capas de cuatro Angstrom (Å) de espesor paralelas a la superficie. La capa superficial real exhibió energías extraordinariamente bajas (aproximadamente 0.05 eV) para comportarse en un modo de descomposición exponencial para sugerir que la energía de activación en la región de volumen era distinta de la superficie.

Para comprender mejor la activación de la superficie de vidrio metálico, Los investigadores estudiaron la movilidad de la superficie de un modelo de película de vidrio metálico a base de circonio (Zr) mediante el mapeo de su tangente de pérdida viscoelástica (medición adimensional de un material) utilizando microscopía de sonda de barrido dinámico (DSPM). Bajo agitación mecánica cíclica, algunos átomos de la superficie en puntos locales estaban altamente activados para disipar la energía mecánica, mientras que otros no lo hicieron. Los resultados del mapeo respaldaron fuertemente la opinión de que los átomos de la superficie en vidrios metálicos mantenían una rápida movilidad. Ma et al. por lo tanto, espere que se active eficazmente un proceso de unión rápido en presencia de una frecuencia de excitación apropiadamente alta.

Para facilitar un proceso de unión rápido inducido por alta frecuencia de conducción, los científicos realizaron vibraciones ultrasónicas en cintas BMG desmenuzadas. Para esto, colocaron las muestras de cinta de vidrio metálico en una placa base con una cavidad hecha de carburo cementado y aplicaron una presión de precarga baja (~ 12 MPa) para sujetar las cintas firmemente. Luego aplicaron el sonotrodo (un taladro acústico) a una frecuencia de 20, 000 Hz. El equipo utilizó tres sistemas de aleación típicos diferentes, incluidos los basados ​​en lantano (La), basado en plomo (Pb), y muestras de cinta de vidrio metálico a base de circonio (Zr), preparado previamente utilizando procesos convencionales de hilado en fusión.

Usando una configuración experimental diseñada específicamente, unieron las cintas en una muestra a granel bajo vibración ultrasónica constante durante menos de dos segundos. Ma et al. varillas de Zr a granel diseñadas utilizando materia prima de cinta, incluyendo varillas a granel basadas en La y Pd utilizando el mismo proceso. Sin embargo, si los investigadores hubieran cristalizado las muestras de cinta antes de la vibración ultrasónica, no habrían observado un efecto de "unión", resultando en cambio en literas rotas. Notablemente, la naturaleza amorfa única fue clave para la unión de cintas para formar BMG como muestras no cristalinas que permanecieron amorfas durante la vibración ultrasónica de alta frecuencia. Las BMG fabricadas ultrasónicamente eran densas como muestras fundidas y demostraron porosidades bajas. Los resultados preliminares del nuevo enfoque son prometedores para desarrollar vidrios metálicos de gran tamaño.

Inspirado por los resultados iniciales, Ma et al. diseñó BMG con múltiples fases y componentes amorfos utilizando vibraciones de alta frecuencia y creó BMG multifase que combina diferentes tipos de cintas. Para lograr esto, cortan cintas metálicas de vidrio de diferentes sistemas en pedazos, los mezcló en una cavidad de molde y obtuvieron muestras a granel utilizando vibraciones ultrasónicas para unir las cintas a granel.

El equipo de investigación utilizó patrones de difracción de rayos X para demostrar que las BMG tanto simples como multifásicas conservaban sus estructuras amorfas. Los científicos también investigaron las estructuras atómicas y a microescala de las BMG utilizando microscopía electrónica de transmisión de alta resolución (HRTEM) para confirmar la presencia de distintas estructuras amorfas de diferentes fases. Para estudiar la distribución elemental en la interfaz, utilizaron espectroscopia de dispersión de energía (EDS) y observaron un nivel de entremezclado a través de la difusión. Después de eso, utilizando simulaciones de dinámica molecular (MD), Ma et al. reveló el origen atómico de la unión rápida habilitada por ultrasonidos y notó que la movilidad de los átomos de la superficie difería drásticamente de la de la masa; que es típico de los materiales amorfos.

De este modo, Jiang Ma y sus colegas demostraron un enfoque de unión habilitado por ultrasonido para sintetizar vidrios metálicos de gran tamaño mediante el uso de fases amorfas únicas o múltiples. El proceso se relaciona fundamentalmente con la movilidad ultrarrápida de los vidrios metálicos. El nuevo método permite el diseño de múltiples fases y microestructuras. Los resultados de la investigación establecerán un proceso nuevo y flexible para diseñar y diseñar nuevos sistemas de vidrio metálico, para extender enormemente las aplicaciones de materiales amorfos.

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