Los investigadores, dirigidos por la profesora de ciencia e ingeniería de materiales Julia Greer, descubrieron que al agregar un material secundario que se funde fácilmente en la superficie de películas delgadas, podían detener la formación y propagación de grietas.
En un artículo publicado en la edición del 15 de junio de Nature Communications, Greer y sus colegas describen cómo agregar una capa ultrafina de galio al oro hace que las superficies de oro sean mucho más resistentes a las fracturas.
"Se trata de controlar las fallas del material en las escalas más pequeñas", dijo Greer, quien también se desempeña como director del Laboratorio de Investigación de Materiales (MRL) de UC San Diego. "Utilizamos el comportamiento de fusión del galio para inhibir la nucleación de grietas y, debido a que es una capa conformada, funciona en diferentes geometrías y en una variedad de tamaños de grietas".
En la mayoría de los materiales de ingeniería, las grietas comienzan en los defectos y crecen bajo carga hasta que el material se rompe. Según Greer, esta imagen convencional de fractura está incompleta. Ella sugiere que las grietas se nuclean no sólo a partir de defectos de mayor escala, sino también de rugosidades superficiales de menor escala.
"Tradicionalmente se ha pensado que la fractura ocurre a microescala o a mayor escala", dijo Greer. “Pero las grietas se crean mediante procesos a escala atómica. Estamos dando cuenta de estos procesos, que normalmente se ignoran”.
Los investigadores probaron su hipótesis utilizando finas películas de oro depositadas sobre un sustrato de vidrio. Luego, las películas se sometieron a cargas de tracción y el equipo observó el comportamiento de fractura de las películas mediante microscopía electrónica.
Descubrieron que las películas de oro con capa de galio presentaban una tenacidad a la fractura significativamente mayor que las películas de oro puro. La capa de galio evitó la formación de grietas, incluso cuando las películas de oro estaban sometidas a altas cargas de tracción.
Los hallazgos del equipo sugieren que la tenacidad a la fractura de un material se puede mejorar significativamente simplemente agregando una capa de material que se funda a una temperatura más baja que el material mismo. Este enfoque podría utilizarse para mejorar la fiabilidad y durabilidad de una amplia gama de materiales y estructuras, desde componentes de aeronaves hasta dispositivos electrónicos.
"Estamos hablando de recubrimientos delgados (menos de una millonésima de metro) pero tienen un impacto profundo en el comportamiento de la fractura", dijo Greer. "Esta idea tiene implicaciones para la fabricación y el diseño de materiales".
Además de Greer, el equipo de investigación incluyó a los estudiantes graduados de MRL Xiaoyue Ma y Qiang Yu. La investigación fue apoyada por la Fundación Nacional de Ciencias y la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea.
Actualmente, la industria aeroespacial utiliza remaches para unir láminas de metal en estructuras de aviones. Sin embargo, el uso de remaches crea concentraciones de tensión, que pueden provocar grietas y, finalmente, fallos. La adición de una fina capa de galio a las superficies de estas láminas podría ayudar a inhibir la formación de grietas y mejorar la seguridad y confiabilidad general de las estructuras de las aeronaves.
Los dispositivos electrónicos también son susceptibles a agrietarse, particularmente a nanoescala. El uso de una capa de galio podría ayudar a evitar que se formen grietas en estos dispositivos, mejorando su fiabilidad y rendimiento.
El descubrimiento de Greer y su equipo tiene implicaciones importantes para las industrias aeroespacial y electrónica, así como para otras industrias que dependen de películas delgadas. Al agregar un material secundario que se funde fácilmente en la superficie de películas delgadas, los ingenieros pueden mejorar significativamente la tenacidad a la fractura y la confiabilidad de estos materiales.
