En un estudio de la Universidad de Rice, un material policristalino que gira en un campo magnético se reconfigura a medida que aparecen y desaparecen los límites de los granos debido a la circulación en la interfaz de los vacíos. Los diversos colores identifican la orientación del cristal. Crédito:Grupo de Investigación Biswal/Universidad Rice
Los ingenieros de la Universidad de Rice que imitan los procesos a escala atómica para hacerlos lo suficientemente grandes como para verlos, han modelado cómo el corte influye en los límites de grano en los materiales policristalinos.
Que los límites puedan cambiar tan fácilmente no fue del todo una sorpresa para los investigadores, que utilizaron matrices giratorias de partículas magnéticas para ver lo que sospechan que sucede en la interfaz entre los dominios de cristal desalineados.
Según Sibani Lisa Biswal, profesora de ingeniería química y biomolecular en la Escuela de Ingeniería George R. Brown de Rice, y la estudiante de posgrado y autora principal Dana Lobmeyer, la cizalladura interfacial en el límite entre el cristal y el vacío puede impulsar la evolución de las microestructuras.
La técnica reportada en Science Advances podría ayudar a los ingenieros a diseñar materiales nuevos y mejorados.
A simple vista, los metales comunes, las cerámicas y los semiconductores parecen uniformes y sólidos. Pero a escala molecular, estos materiales son policristalinos, separados por defectos conocidos como límites de grano. La organización de estos agregados policristalinos determina propiedades como la conductividad y la resistencia.
Bajo estrés aplicado, los límites de grano pueden formarse, reconfigurarse o incluso desaparecer por completo para adaptarse a nuevas condiciones. Aunque los cristales coloidales se han utilizado como sistemas modelo para ver cómo se mueven los límites, controlar sus transiciones de fase ha sido un desafío.
"Lo que distingue a nuestro estudio es que en la mayoría de los estudios de cristales coloidales, los límites de los granos se forman y permanecen estacionarios", dijo Lobmeyer. "Básicamente están grabados en piedra. Pero con nuestro campo magnético giratorio, los límites de los granos son dinámicos y podemos observar su movimiento".
En experimentos, los investigadores indujeron coloides de partículas paramagnéticas para formar estructuras policristalinas 2D haciéndolas girar con campos magnéticos. Como se mostró recientemente en un estudio anterior, este tipo de sistema es muy adecuado para visualizar las transiciones de fase características de los sistemas atómicos.
Aquí, vieron que las fases gaseosa y sólida pueden coexistir, lo que da como resultado estructuras policristalinas que incluyen regiones libres de partículas. Mostraron que estos vacíos actúan como fuentes y sumideros para el movimiento de los límites de grano.
El nuevo estudio también demuestra cómo su sistema sigue la antigua teoría de Read-Shockley de la materia condensada dura que predice los ángulos de desorientación y las energías de los límites de grano de ángulo bajo, aquellos caracterizados por una pequeña desalineación entre cristales adyacentes.
Al aplicar un campo magnético en las partículas coloidales, Lobmeyer hizo que las partículas de poliestireno incrustadas en óxido de hierro se ensamblaran y observó cómo los cristales formaban límites de grano.
"Normalmente comenzamos con muchos cristales relativamente pequeños", dijo. "Después de un tiempo, los límites de los granos comenzaron a desaparecer, por lo que pensamos que podría conducir a un solo cristal perfecto".
En cambio, se formaron nuevos límites de grano debido al corte en la interfaz vacía. Al igual que los materiales policristalinos, estos siguieron las predicciones de energía y ángulo de desorientación realizadas por Read y Shockley hace más de 70 años.
"Los límites de grano tienen un impacto significativo en las propiedades de los materiales, por lo que comprender cómo se pueden usar los vacíos para controlar los materiales cristalinos nos ofrece nuevas formas de diseñarlos", dijo Biswal. "Nuestro siguiente paso es usar este sistema coloidal sintonizable para estudiar el recocido, un proceso que involucra múltiples ciclos de calentamiento y enfriamiento para eliminar los defectos dentro de los materiales cristalinos".
La Fundación Nacional de Ciencias (1705703) apoyó la investigación. Biswal es profesor William M. McCardell de ingeniería química, profesor de ingeniería química y biomolecular y de ciencia de materiales y nanoingeniería. Uso de microscopía electrónica y seguimiento automático de átomos para obtener más información sobre los límites de grano en los metales durante la deformación
