Los investigadores pronto estudiarán muestras de materiales en la ISS. Los materiales en cuestión son aleaciones súper duras y resistentes a la corrosión de paladio, níquel, cobre y fósforo, también conocidas como vidrios metálicos. También participa una empresa de alta tecnología de La Chaux-de-Fonds, que produce materiales para la industria relojera.

Estos materiales tienen el color del oro blanco, pero son duros como el cristal de cuarzo y al mismo tiempo presentan una gran elasticidad. Su superficie lisa está libre de estructuras cristalinas lo que hace que los materiales sean resistentes a las sales o ácidos. Las piezas individuales, por ejemplo, para implantes médicos, se pueden producir mediante impresión 3D, mientras que las series más grandes, por ejemplo, para cajas de relojes, se fabrican mediante moldeo por inyección. Así es aproximadamente como los científicos que están investigando actualmente describen el material de sus sueños. Están hablando de vidrio metálico a granel.

En Empa, Antonia Neels, directora del Centro de análisis de rayos X de Empa, ha estado trabajando en estos misteriosos materiales durante unos 15 años. Su equipo investiga la estructura interna del vidrio metálico utilizando varios métodos de rayos X, descubriendo así correlaciones con propiedades como la deformabilidad o el comportamiento de fractura. Incluso para los profesionales de la ciencia de los materiales, los vidrios metálicos son un hueso duro de roer:"Cuanto más de cerca miramos las muestras, más preguntas surgen", dice Antonia Neels. Esto estimula aún más la ambición de los investigadores.

Juntos al espacio

En unos meses se estudiará una muestra de vidrio metálico en la microgravedad de la Estación Espacial Internacional (ISS). Un grupo de investigadores con participación de Empa ha preparado las muestras y las ha registrado en la Agencia Espacial Europea ESA para vuelos espaciales. La aleación especial es suministrada por la empresa PX Group de La Chaux-de-Fonds, que produce materiales para la industria relojera y la tecnología dental. El equipo también incluye a los investigadores Markus Mohr y Hans-Jörg Fecht del Instituto de Nanosistemas Funcionales de la Universidad de Ulm y Roland Logé del Laboratorio de Metalurgia Termomecánica de la EPFL en Neuchâtel.

La producción de vidrio metálico no es del todo simple:en comparación con el vidrio para ventanas, las aleaciones metálicas especialmente seleccionadas deben enfriarse hasta cien veces más rápido para que los átomos metálicos no formen estructuras cristalinas. Solo cuando la fusión se solidifica extremadamente rápido es capaz de formar un vaso. En la industria, las láminas delgadas de vidrio metálico se producen presionando la masa fundida entre tambores de cobre que giran rápidamente. Los investigadores a veces echan sus muestras en moldes hechos de cobre sólido, que disipa particularmente bien el calor. Pero las piezas de trabajo más grandes y sólidas hechas de vidrio metálico no son viables con estos métodos.

La impresión 3D ayuda

Una posible forma de salir del dilema es la impresión 3D mediante un proceso conocido como proceso de lecho de polvo. Un polvo fino de la aleación deseada se calienta durante unos milisegundos con un láser. Los granos de metal se fusionan con sus vecinos para formar una especie de lámina. Luego, se coloca una fina capa de polvo encima, el láser fusiona el polvo recién aplicado con la lámina subyacente y, por lo tanto, se crea gradualmente una pieza de trabajo tridimensional a partir de muchos granos de polvo calentados brevemente.

Este método requiere una dosificación fina del pulso láser. Si el láser quema demasiado débilmente el polvo, las partículas no se fusionan y la pieza de trabajo permanece porosa. Si el láser quema con demasiada fuerza, también vuelve a derretir las capas inferiores. La fusión múltiple permite que los átomos se reorganicen, formando cristales, y ese es el final del vidrio metálico.

Métodos de rayos X y su extraordinaria diversidad

En el Centro de análisis de rayos X de Empa, el equipo de Antonia Neels ya ha analizado varias de estas muestras de experimentos de impresión 3D. Mientras tanto, los resultados siempre plantean nuevas preguntas. "Alguna evidencia sugiere que las propiedades mecánicas de los vidrios no se deterioran, sino que, por el contrario, mejoran, si la muestra contiene pequeñas fracciones cristalinas", dice Neels. "Ahora estamos investigando la cuestión de qué tan grande debe ser esta fracción de cristal en el vidrio y qué tipo de cristales deben formarse para aumentar, por ejemplo, la flexibilidad o la resistencia al impacto del vidrio a temperatura ambiente".

Para rastrear el crecimiento de cristales en un entorno amorfo, los expertos de Empa utilizan una variedad de métodos de rayos X. "Con radiación de diferentes longitudes de onda, podemos aprender sobre la estructura de las porciones cristalinas, pero también determinar fenómenos de orden cerrado de los átomos en la muestra, en otras palabras, determinar las propiedades de los enlaces químicos", explica Neels. Además, el análisis de imágenes de rayos X, conocido como micro-CT, revela detalles sobre las fluctuaciones de densidad en la muestra. Esto indica segregación de fases y formación de cristales. Sin embargo, las diferencias de densidad entre las regiones vítrea y cristalina son extremadamente pequeñas. Por lo tanto, se necesita un procesamiento de imagen detallado para visualizar la distribución tridimensional de las porciones cristalinas.

Vuelo parabólico en el Airbus

Pero las muestras de material de la impresora láser 3D por sí solas no pueden resolver por completo el rompecabezas de los vidrios metálicos. "Necesitamos saber a qué temperaturas se forman estos cristales y cómo crecen, para usarlos para definir procesos de fabricación estables", explica el especialista en rayos X Neels. Los parámetros termofísicos del fundido, como la viscosidad y la tensión superficial, proporcionan información importante. Los experimentos en la ISS ofrecen condiciones ideales para estos análisis. Los experimentos preliminares tienen lugar en vuelos parabólicos.

Ya en 2019, las primeras gotas de vidrio metálico flotaron de forma experimental. Un Airbus A310 especialmente convertido de la compañía Novespace realizó un vuelo de gravedad cero con una muestra de material. A bordo iban científicos de Ulm y una pequeña gota de vidrio metálico de la empresa PX Group en La Chaux-de-Fonds. El vidrio metálico que estudia el grupo de investigación está compuesto por paladio, cobre, níquel y fósforo. En el experimento llamado TEMPUS (procesamiento electromagnético sin crisol bajo gravedad cero), la gota de vidrio se mantuvo en suspensión por medio de un campo magnético y se calentó hasta 1500 grados centígrados por inducción. Durante la fase de enfriamiento, dos pulsos cortos de corriente de inducción hicieron que la gota brillante oscilara. Una cámara grabó el experimento. Después de aterrizar, la muestra de material se analizó en el Centro de análisis de rayos X de Empa.

Por qué la ISS ofrece más resultados

El análisis del video del vuelo parabólico permite sacar conclusiones sobre la viscosidad y la tensión superficial de la gota, datos importantes para controlar mejor la producción de vidrios metálicos con propiedades específicas. Pero el tiempo de microgravedad durante el vuelo dura solo 20 segundos, demasiado poco para un análisis detallado. Eso solo se puede hacer en la ISS.

Así que ahora se ha registrado una muestra del mismo material para un vuelo en el módulo europeo COLUMBUS de la ISS. El horno de levitación electromagnética ISS-EML se ha instalado allí desde 2014. En cada caso, 18 muestras de material vuelan, se intercambian automáticamente y los investigadores en la Tierra pueden observarlas a través de una transmisión de video. El vidrio metálico de Suiza irá al espacio con el próximo lote de muestras.

Nuevos procesos de casting

Los investigadores planean generar una simulación por computadora del derretimiento a partir de datos mucho más detallados obtenidos durante el vuelo espacial. Esto reunirá todas las respuestas en un solo modelo a través de una combinación de experimentos en la Tierra y en el espacio:¿A qué temperatura hay qué viscosidad y qué tensión superficial? ¿Cuándo se forman cristales de qué composición, tamaño y orientación? ¿Cómo influye esta estructura material interna en las propiedades del vidrio metálico? A partir de todos estos parámetros, los investigadores quieren desarrollar un método de fabricación junto con el socio industrial PX Group, para poder producir el material codiciado en una forma definida. Así que todavía queda mucho por hacer para los investigadores de materiales en los próximos años. + Explora más

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