Cuando la mayoría de la gente piensa en cerámica, podrían imaginarse su taza favorita o una maceta. Pero la tecnología moderna está llena de cerámica avanzada, desde paneles solares de silicio hasta superconductores cerámicos e implantes biomédicos.

Muchas de esas cerámicas policristalinas avanzadas son combinaciones de granos cristalinos que, a nivel microscópico, se asemejan a una cerca de piedra unida con mortero de piedra caliza. Como esa valla la resistencia de la cerámica está determinada por la resistencia del mortero, que en cerámica es el límite de grano, o las áreas donde se encuentran los diferentes granos.

Previamente, la mayoría de los investigadores creían que la química de estos límites de grano en la cerámica era muy estable. Pero un nuevo estudio realizado por ingenieros en ciencias de los materiales de la Universidad de Wisconsin-Madison muestra que ese no es el caso. De hecho, en el importante material cerámico carburo de silicio, Los átomos de carbono se acumulan en los límites de los granos cuando el material se expone a la radiación. El hallazgo podría ayudar a los ingenieros a comprender mejor las propiedades de la cerámica y podría ayudar a afinar una nueva generación de materiales cerámicos.

Los detalles del estudio aparecen hoy en la revista. Materiales de la naturaleza .

Desde la década de 1970, Los investigadores han sido conscientes de una segregación similar inducida por la radiación en las aleaciones metálicas. Debido a que los átomos de metal comparten electrones libremente, son capaces de mezclar y desmezclar fácilmente. Cuando son bombardeados por radiación de iones, algunos de los átomos de los metales saldrán de su lugar y se moverán hacia los límites de los granos, y si diferentes tipos de átomos se mueven a diferentes velocidades, la química de la aleación se puede alterar.

Los átomos en la cerámica son muy selectivos sobre con qué vecinos se unen y los enlaces son mucho más fuertes que en los metales. Es por eso que los investigadores creían que estos átomos no estaban sujetos al mismo tipo de segregación. Pero cuando Izabela Szlufarska, profesor de ciencia e ingeniería de materiales en UW-Madison, comenzó a mirar de cerca los límites de grano del carburo de silicio, eso no es lo que ella encontró.

"En carburo de silicio, el silicio y el carbono realmente quieren emparejarse; quieren tener un 50 por ciento de carbono y un 50 por ciento de silicio, " ella dice.

Sin embargo, cuando su equipo ejecutó simulaciones y también tomó imágenes de los límites de grano, la concentración de carbono fue sólo del 45 por ciento en los límites. "La química estaba realmente mal, ", dice." Esa fue la primera sorpresa, ya que este material realmente quiere tener átomos ordenados ".

Esto sugirió que el carburo de silicio también podría ser susceptible a la segregación inducida por radiación. Entonces Szlufarska y su equipo bombardearon la sustancia con radiación iónica, encontrando que entre 300 grados Celsius y 600 grados Celsius, los límites de los granos experimentaron un enriquecimiento de carbono.

A esos niveles de energía, la radiación hace que algunos átomos de carbono salgan de su lugar, creando un par de defectos en el carburo de silicio, incluido un lugar vacío llamado vacante y un átomo de carbono suelto llamado intersticial. Esos átomos intersticiales no unidos migran a los límites del grano donde se acumulan, afectando la química del material.

Además del hecho de que los investigadores simplemente no creían que este tipo de segregación pudiera tener lugar en la cerámica, Szlufarska dice eso, hasta hace poco, también carecían de herramientas para siquiera investigar el fenómeno. Después de una minuciosa fabricación y preparación de los bicristales de carburo de silicio, La microscopía electrónica de transmisión de barrido de última generación realizada en UW-Madison y el Laboratorio Nacional Oak Ridge permitió al equipo resolver la composición química a lo largo de los límites de los granos.

El equipo cree que es probable que el fenómeno ocurra también en otras cerámicas policristalinas. El proceso es un arma de doble filo:por un lado, La segregación inducida por radiación significa que las cerámicas están sujetas a los mismos tipos de daño y deterioro en sus límites de grano que las aleaciones metálicas. aunque a diferentes temperaturas. Por otra parte, la segregación podría ser útil en la ingeniería de materiales para producir versiones especializadas de cerámicas como el carburo de silicio, que se utiliza en energía nuclear, motores a reacción y otras aplicaciones de alta tecnología.

"Tal vez la radiación se pueda utilizar como una herramienta para ajustar la química de los límites de grano, "dice Xing Wang, coautor del estudio y profesor de la Universidad Estatal de Pennsylvania que trabajó en la investigación mientras obtenía su doctorado en UW-Madison. "Eso podría sernos útil en el futuro".