Una aleación es típicamente un metal al que se le ha agregado un pequeño porcentaje de al menos otro elemento. Algunas aleaciones de aluminio tienen una propiedad aparentemente extraña.

"Sabemos que las aleaciones de aluminio pueden volverse más fuertes si se almacenan a temperatura ambiente; esa no es información nueva, "dice Adrian Lervik, físico de la Universidad Noruega de Ciencia y Tecnología (NTNU).

El metalúrgico alemán Alfred Wilm descubrió esta propiedad allá por 1906. ¿Pero por qué sucede? Hasta ahora, el fenómeno no se ha entendido bien, pero ahora Lervik y sus colegas de NTNU y SINTEF, el instituto de investigación independiente más grande de Escandinavia, han abordado esa pregunta.

Lervik completó recientemente su doctorado en el Departamento de Física de NTNU. Su trabajo explica una parte importante de este misterio. Pero primero, un poco de historia, porque Lervik también se ha adentrado en alguna prehistoria.

"A finales del siglo XIX, Wilm trabajó para intentar aumentar la resistencia del aluminio, un metal ligero que había estado disponible recientemente. Fundió y fundió varias aleaciones diferentes y probó varias velocidades de enfriamiento comunes en la producción de acero para lograr la mejor resistencia posible. "dice Lervik.

Un fin de semana, cuando hacía buen tiempo, Wilm decidió tomarse un descanso de sus experimentos y, en cambio, tomarse un fin de semana temprano para navegar a lo largo del río Havel.

"Regresó al laboratorio el lunes y continuó realizando pruebas de tracción de una aleación de aluminio, cobre y magnesio que había comenzado la semana anterior. Descubrió que la fuerza de la aleación había aumentado considerablemente durante el fin de semana.

Esta aleación simplemente se mantuvo a temperatura ambiente durante ese tiempo. El tiempo había hecho el trabajo que ningún otro método de enfriamiento podía hacer.

Hoy en día, este fenómeno se llama envejecimiento natural.

El metalúrgico estadounidense Paul Merica sugirió en 1919 que el fenómeno debe deberse a pequeñas partículas de los diversos elementos que forman una especie de precipitación en la aleación. Pero en ese momento no existían métodos experimentales que pudieran probar esto.

"Sólo hacia finales de la década de 1930 pudo el método de difracción de rayos X demostrar que los elementos de aleación se acumulaban en pequeños cúmulos a nanoescala, "dice Lervik.

El aluminio puro se compone de muchos cristales. Un cristal puede verse como un bloque de láminas de rejilla, donde un átomo se encuentra en cada cuadrado de la cuadrícula. La fuerza se mide en la resistencia de las láminas al deslizamiento unas sobre otras.

En una aleación, un pequeño porcentaje de los cuadrados están ocupados por otros elementos, haciendo que sea un poco más difícil que las hojas se deslicen entre sí y dando como resultado una mayor resistencia.

Como lo explica Lervik, “Un agregado es como una pequeña gota de pintura en el bloque de la rejilla. Los elementos de aleación se acumulan y ocupan unas decenas de cuadrados vecinos que se extienden sobre varias láminas. Junto con el aluminio, forman un patrón. Estas gotas tienen una estructura atómica diferente a la del aluminio y dificultan el deslizamiento de las láminas en el bloque de rejilla ".

Los agregados de elementos de aleación se conocen como "grupos". En lenguaje técnico, se denominan zonas de Guinier-Preston (GP) en honor a los dos científicos que los describieron por primera vez. En la década de 1960, fue posible ver zonas GP a través de un microscopio electrónico por primera vez, pero se necesita hasta ahora para verlos en el nivel de un solo átomo.

"En años recientes, Numerosos científicos han explorado la composición de agregados, pero se ha trabajado poco para comprender su estructura nuclear. En lugar de, muchos estudios se han centrado en optimizar las aleaciones experimentando con el endurecimiento por envejecimiento a diferentes temperaturas y durante diferentes períodos de tiempo, "dice Lervik.

El endurecimiento por envejecimiento y la creación de mezclas de metales fuertes son claramente muy importantes en un contexto industrial. Pero muy pocos investigadores y personas en la industria se han preocupado mucho por en qué consisten realmente los clústeres. Simplemente eran demasiado pequeños para probarlos.

Lervik y sus colegas pensaban de manera diferente.

"Con nuestros métodos experimentales modernos, Logramos tomar fotografías a nivel atómico de los cúmulos con el microscopio electrónico de transmisión en Trondheim por primera vez en 2018, "dice Lervik.

"Él y su equipo estudiaron aleaciones de aluminio, zinc y magnesio. Estos son cada vez más importantes en las industrias automotriz y aeroespacial ".

El equipo de investigación también determinó la composición química de los grupos utilizando el instrumento para tomografía de sonda atómica que se instaló recientemente en NTNU. El programa de infraestructura del Consejo de Investigación de Noruega hizo posible este descubrimiento. Esta inversión ya ha contribuido a nuevos conocimientos fundamentales sobre los metales.

Los investigadores estudiaron aleaciones de aluminio, zinc y magnesio, conocidas como aleaciones de aluminio de la serie 7xxx. Estas aleaciones de metales ligeros son cada vez más importantes en las industrias automotriz y aeroespacial.

"Encontramos cúmulos con un radio de 1,9 nanómetros enterrados en el aluminio. Aunque numerosos, son difíciles de observar con un microscopio. Solo logramos identificar la estructura atómica bajo condiciones experimentales especiales, "dice Lervik.

Ésta es parte de la razón por la que nadie ha hecho esto antes. Realizar los experimentos es complicado y requiere equipos experimentales modernos y avanzados.

"Experimentamos lo complicado que fue esto varias veces. A pesar de que logramos tomar una foto de los grupos y pudimos extraer algo de información sobre su composición, Pasaron varios años antes de que comprendiéramos lo suficiente como para poder describir la estructura nuclear, "dice Lervik.

Entonces, ¿qué hace que este trabajo sea tan especial? En el pasado, la gente ha asumido que los agregados consisten en los elementos de aleación, aluminio y tal vez vacantes (cuadrados vacíos) que están dispuestos más o menos al azar.

"Descubrimos que podemos describir todos los grupos que hemos observado basándonos en una figura espacial geométrica única llamada 'octaedro de cubo truncado, '", dice Lervik.

Aquí mismo, cualquier persona sin experiencia en física o química puede querer hojear las siguientes secciones o saltar directamente al título central "Importante para comprender el tratamiento térmico".

Para comprender la ilustración anterior, primero debemos aceptar que un cristal de aluminio (bloque cuadrado) se puede visualizar como una pila de cubos, cada uno con átomos en las 8 esquinas y 6 lados.

Esta estructura es una red cúbica atómica centrada en los lados. La figura geométrica es como un cubo, con una capa exterior formada por los cubos circundantes. Lo describimos como tres conchas alrededor del cubo central:una para los lados, uno para las esquinas y el caparazón más externo. Estas conchas constan de 6 zinc, 8 átomos de magnesio y 24 de zinc, respectivamente.

El centro del cuerpo (cubo) puede contener un átomo extra, un "intersticial", que en esta ilustración se puede describir como ubicado entre los espacios (cuadrados) de aluminio.

Esta única figura explica además todas las unidades de clúster más grandes por su capacidad para conectarse y expandirse en tres direcciones definidas. La imagen también explica las observaciones previamente informadas por otros. Estas unidades de racimo son las que contribuyen a aumentar la fuerza durante el envejecimiento.

Importante para comprender el tratamiento térmico

"¿Por qué es genial? Es genial porque el envejecimiento natural no suele ser el último paso en el procesamiento de una aleación antes de que esté lista para ser utilizada. "dice Lervik.

Estas aleaciones también pasan por un tratamiento térmico final a temperaturas más altas (130-200 ° C) para formar precipitados más grandes con estructuras cristalinas definidas. Unen los planos atómicos (láminas) aún más estrechamente y lo fortalecen considerablemente.

"Creemos que comprender la estructura atómica de los cúmulos formados por el envejecimiento natural es esencial para comprender mejor el proceso de formación de los precipitados que determinan gran parte de las propiedades del material. ¿Se forman los precipitados en los cúmulos o los cúmulos se transforman en precipitados durante tratamiento térmico? ¿Cómo se puede optimizar y utilizar? Nuestro trabajo posterior tratará de responder a estas preguntas, "dice Lervik.