Los materiales metálicos utilizados en la ingeniería deben ser fuertes y dúctiles, capaces de soportar altas cargas mecánicas y resistir la deformación sin romperse. Sin embargo, si un material es débil o fuerte, dúctil o quebradizo, no está determinado simplemente por los granos de cristal que forman el material, sino más bien por lo que sucede en el espacio entre ellos conocido como límite de grano. A pesar de décadas de investigación, los procesos de deformación a nivel atómico en el límite del grano siguen siendo esquivos, junto con el secreto para fabricar nuevos y mejores materiales.

Usando microscopía avanzada junto con nuevas simulaciones por computadora que rastrean el movimiento atómico, los investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia realizaron observaciones a nivel atómico en tiempo real de la deformación del límite de grano en materiales metálicos poligranulados llamados materiales policristalinos. El equipo observó procesos no reconocidos previamente que afectan las propiedades de los materiales, como los átomos que saltan de un plano a otro a través de un límite de grano. Su trabajo, publicado en Science este marzo, supera los límites del sondeo a nivel atómico y permite una comprensión más profunda de cómo se deforman los materiales policristalinos. Su trabajo abre nuevas vías para el diseño más inteligente de nuevos materiales para aplicaciones de ingeniería extrema.

"Es sorprendente observar los movimientos paso a paso de los átomos y luego usar esta información para descifrar el proceso de deslizamiento dinámico de un límite de grano con una estructura compleja", dijo Ting Zhu, profesor de la Escuela de Mecánica George W. Woodruff. Engineering y uno de los autores principales del estudio, que incluyó a colaboradores de la Universidad Tecnológica de Beijing.

Para desarrollar nuevos y mejores materiales policristalinos, es fundamental comprender cómo se deforman a nivel atómico. El equipo buscó lograr la observación en tiempo real del deslizamiento de los límites de grano, un modo de deformación bien conocido que desempeña un papel importante en el control de la resistencia y la ductilidad de los materiales policristalinos. Eligieron trabajar con platino porque su estructura cristalina es la misma que la de otros materiales policristalinos ampliamente utilizados, como el acero, el cobre y el aluminio. Usando platino, sus resultados e ideas serían generalmente aplicables a una amplia gama de materiales.

Una combinación de métodos novedosos

Se requirieron varias innovaciones clave para llevar a cabo el experimento. El equipo utilizó un microscopio electrónico de transmisión (TEM) para capturar imágenes muy ampliadas de átomos en los límites de grano. El TEM envía un haz de electrones a través de una muestra de platino similar a una película, procesada por el equipo para que sea lo suficientemente delgada para la transmisión de electrones. También desarrollaron un pequeño dispositivo de prueba del tamaño de un milímetro que aplica fuerza mecánica a una muestra y se fija al microscopio. El TEM y el dispositivo funcionan en conjunto para crear imágenes a nivel atómico de los límites de grano durante la deformación.

Para observar el deslizamiento del límite de grano a escala atómica con mayor claridad que solo con la visualización de imágenes TEM, los investigadores desarrollaron un método automatizado de seguimiento de átomos. Este método etiqueta automáticamente cada átomo en cada imagen TEM y luego los correlaciona entre imágenes, lo que permite el seguimiento de todos los átomos y su movimiento durante el deslizamiento del límite de grano. Por último, el equipo realizó simulaciones por ordenador del deslizamiento de los límites de grano utilizando estructuras atómicas extraídas de las imágenes TEM. El deslizamiento simulado ayudó al equipo a analizar e interpretar eventos que ocurrieron a escala atómica. Al combinar esos métodos, pudieron visualizar cómo se mueven los átomos individuales en un límite de grano que se deforma en tiempo real.

Resultados

Si bien se sabía que los límites de los granos se deslizan durante la deformación de los materiales policristalinos, las imágenes y el análisis en tiempo real realizados por Zhu y su equipo revelaron una rica variedad de procesos atómicos, algunos de ellos desconocidos anteriormente.

Se dieron cuenta de que, durante la deformación, dos granos vecinos se deslizaban uno contra el otro y provocaban que los átomos de un lado del plano límite del grano se transfirieran al otro. Este proceso, conocido como transferencia de plano atómico, no se reconocía previamente. También observaron que los procesos atómicos locales pueden acomodar eficazmente los átomos transferidos mediante el ajuste de las estructuras de límite de grano, lo que puede ser beneficioso para lograr una mayor ductilidad. El análisis de imágenes y las simulaciones por computadora mostraron que las cargas mecánicas eran altas durante los procesos atómicos y que esto facilitaba la transferencia de átomos y planos atómicos. Sus hallazgos sugieren que la ingeniería de los límites de grano de los policristales de grano fino es una estrategia importante para hacer que los materiales sean más resistentes y dúctiles.

Mirando hacia adelante

La capacidad demostrada de Zhu y su equipo para observar, rastrear y comprender la deformación del límite de grano a escala atómica abre más oportunidades de investigación para investigar más a fondo las interfaces y los mecanismos de falla en materiales policristalinos. Una mayor comprensión de la deformación a nivel atómico puede informar cómo evolucionan los materiales durante la ingeniería de límite de grano, una necesidad para crear combinaciones excepcionales de resistencia y ductilidad.

"Ahora estamos ampliando nuestro enfoque para visualizar la deformación a escala atómica a temperaturas y tasas de deformación más altas, en busca de mejores materiales para aplicaciones extremas", dijo Xiaodong Han, otro autor principal del artículo y profesor de la Universidad Tecnológica de Beijing.

Zhu cree que los resultados ricos en datos de sus observaciones e imágenes a nivel atómico en tiempo real podrían integrarse con el aprendizaje automático para una investigación más profunda de las deformaciones de los materiales, y esto podría acelerar el descubrimiento y el desarrollo de materiales más rápido de lo que se creía posible.

"Nuestro trabajo muestra la importancia de usar microscopía de muy alta resolución para comprender el comportamiento del material a nivel atómico. Este avance permitirá a los investigadores adaptar los materiales para obtener propiedades óptimas utilizando el diseño atómico", dijo Zhu. + Explora más

Uso de microscopía electrónica y seguimiento automático de átomos para obtener más información sobre los límites de grano en los metales durante la deformación