Cuando los vidrios metálicos se someten a tensión mecánica, pueden liberar rápidamente su energía de forma "frágil", lo que significa que se fracturan inesperadamente, sin signos evidentes de deformación o advertencia. Este comportamiento contrasta con muchos otros materiales como el acero o la madera que se deforman "plásticamente", donde el material cambia de forma permanentemente, antes de romperse.

Comprender cómo se libera energía en los vidrios metálicos ha sido un gran desafío en la ciencia de los materiales, en parte porque las estructuras de estos materiales son extraordinariamente complicadas. A diferencia de los metales tradicionales que poseen estructuras cristalinas regulares, los vidrios metálicos tienen una estructura desordenada similar a un líquido, a menudo denominada "líquido congelado".

El grupo liderado por Matthew L. Wallach, estudiante de doctorado, y Juan de Pablo, profesor Irene y Frederic Posvar de Ingeniería Química y Biológica, ha ideado una técnica de modelado por ordenador que captura esta estructura desordenada de vidrios metálicos con un nivel de detalle que no ha sido posible hasta ahora.

En el modelo, los átomos individuales están representados por esferas y la energía potencial del sistema (la energía que surge debido a la interacción entre los átomos) se calcula en cada configuración atómica posible. Luego, el programa de computadora determina la secuencia de movimientos atómicos que conduce a la energía potencial más baja, correspondiente a una situación en la que la estructura ha alcanzado su configuración de equilibrio más estable.

Esta estructura a menudo no es la que realmente tiene el vidrio metálico, porque el material puede quedar atrapado en un mínimo de energía metaestable:una "colina" de energía que no es el mínimo global (estabilidad global significa que el sistema siempre se relajará hasta esa condición). a tiempo, con suficiente energía). Los estados metaestables surgen de efectos competitivos a nivel atómico. Por ejemplo, en los vidrios metálicos, los átomos individuales normalmente prefieren estar lo más lejos posible unos de otros, pero las limitaciones geométricas pueden obligar a los átomos a sentarse más juntos de lo ideal.

La metaestabilidad es un concepto crucial en el diseño de materiales. Describe la diferencia entre lo ideal y lo real, y su comprensión es clave para diseñar nuevos materiales. Por ejemplo, los estados metaestables se pueden utilizar para diseñar materiales que sean más fuertes y resistentes, porque el material debe superar una barrera de energía más alta para "descomprimirse" y cambiar su configuración atómica.

El estudio actual revela que es la "descompresión" de regiones a nanoescala en la estructura amorfa debido a la fuerza aplicada lo que finalmente permite que el material se relaje hasta su configuración ideal y libere su energía. El modelo informático predice la ubicación y las características de estos defectos a nanoescala para diferentes tipos de metales amorfos, así como la cantidad de energía liberada durante la fractura.

El modelo del grupo también identifica las rutas más probables por las que se propagan las grietas a través del vidrio y dónde es más probable que terminen esas grietas. Esta información podría ayudar a los científicos e ingenieros a evitar fracturas frágiles y diseñar materiales que fallen de una manera más controlada o ventajosa, mejorando el rendimiento y la seguridad de estos materiales versátiles.

El estudio, "Fractura de control de eventos plásticos a nanoescala en vidrios metálicos", se publicó en la revista Physical Review Letters el 19 de noviembre de 2018.