Enfriamiento de materiales súper rápido, llamada solidificación rápida, previene la formación de las estructuras cristalinas normales de los materiales, a menudo creando propiedades únicas en el proceso. Si las técnicas de crecimiento de monocristales se encuentran en un extremo del espectro de síntesis de materiales, promover el crecimiento de la estructura cristalina de equilibrio de ese material, Las técnicas de solidificación rápida promueven el efecto contrario, enfriar el material tan rápidamente de líquido a sólido, que los cristales formados son pequeños, o en algunos casos inexistente, volviéndose amorfos o similares al vidrio sin un patrón cristalino discernible en su estructura molecular general.

También es una forma de formar materiales compuestos cuyos componentes tienen temperaturas de "congelación" muy variables.

"Si toma un metal fundido y lo enfría, lo que quiere formar variará dependiendo de su química, "dijo Matt Kramer, científico del laboratorio Ames y director de la División de Ciencias de los Materiales e Ingeniería, "porque lo que quiere formar no siempre es un sólido homogéneo".

Por ejemplo, si congela una mezcla de agua y alcohol, el agua se solidificará primero, convirtiéndose en hielo, mientras que el alcohol permanece líquido, dejando una mezcla fangosa hasta que la temperatura baje a la temperatura de congelación del alcohol.

"Así que cuando echas una aleación fundida, pequeños cristales se formarán rápidamente en la superficie del molde, obtienes segregación de los materiales y el líquido restante se enriquece, "dijo Kramer, quien también es profesor adjunto de ciencia e ingeniería de materiales de la Universidad Estatal de Iowa, "lo que da como resultado un material a granel heterogéneo".

La solidificación rápida permite que el material se enfríe extremadamente rápido para suprimir o incluso eliminar la segregación. Las técnicas van desde la fundición en tiras, que enfría los materiales a aproximadamente 1, 000 Kelvin por segundo para aplastar el enfriamiento que, como su nombre indica, aplasta una gota de material líquido entre dos placas. La extinción de salpicaduras puede enfriar el material hasta 108 Kelvin por segundo.

"¿Por qué es eso importante? Porque existe una relación íntima entre la temperatura y el momento en que los materiales se enfrían, ", Dijo Kramer." Lo llamamos TTT - Transformación de tiempo-temperatura ".

Se necesita una cierta cantidad de tiempo finita para que se formen los cristales iniciales, un proceso llamado nucleación. El material fundido tiene que organizarse en cristales de solo unas pocas decenas de átomos de ancho y luego esos cristales necesitan crecer.

"Existe una relación muy no lineal entre la transformación del tiempo y la temperatura, "Kramer continuó." La solidificación ocurre en un amplio rango de temperaturas. A una temperatura demasiado alta, permanece fundido. A una temperatura justo por debajo de la temperatura de fusión, el material se solidifica lentamente, y en los casos en que los componentes tengan diferentes temperaturas de fusión, se puede producir una segregación significativa en la pieza fundida si se enfría lentamente.

Las técnicas de solidificación rápida permiten a los investigadores evitar la transformación tiempo-temperatura para que se forme una aleación de metal fundido sin un orden cristalino. creando un vidrio metálico.

"Los metales vidriosos tienen propiedades muy inusuales, ", Dijo Kramer." En promedio, Suelen tener muy buena fuerza, pero poca plasticidad, por lo que son difíciles de moldear en formas ".

Sin embargo, formando primero un vidrio metálico, luego calentando el material de nuevo, los investigadores pueden lograr fases metaestables del material que no se pueden obtener con otros métodos, como el casting. Y estas fases intermedias pueden tener propiedades deseables como resistencia, ductilidad, resistividad, o conductividad.

"Manipulando las fases, sus tamaños, el grado en el que podemos controlar su crecimiento, e incluso su morfología, o formas, están enterrados en los detalles de la clásica transformación tiempo-temperatura, "Dijo Kramer." Gran parte del trabajo que estamos haciendo es tratar de comprender el equilibrio relativo de las velocidades de enfriamiento con el proceso de selección de fase. ¿Cómo podemos predecirlos y controlarlos para poder ir más allá de un enfoque edisoniano? ".

Los investigadores del Laboratorio Ames utilizan varias técnicas, incluida la hilatura por fusión y la fundición por inyección para producir materiales amorfos y de grano pequeño.

Derretir hilado

Esta técnica consiste en disparar una corriente de material fundido sobre una rueda de cobre que gira, donde se solidifica rápidamente. formando una cinta de metal. La rueda de cobre generalmente se enfría con agua y, dependiendo de la velocidad a la que gira, hasta 30 metros por segundo, el metal fundido se enfría hasta 106 Kelvin por segundo.

"Hay límites para el proceso, ", dijo el científico del laboratorio Ames y profesor asociado de ciencia e ingeniería de materiales de la ISU, Jun Cui." La rueda de cobre debe estar perfectamente equilibrada para girar a velocidades tan altas. Y más allá de cierto punto el material ya no fluye en forma de cinta, sino que se rompe ".

También hay una variación en el proceso en el que la rueda de cobre tiene pequeñas ranuras cortadas en su superficie. Estas ranuras rompen intencionalmente el metal enfriado en tiras cortas, cuales

Cui dijo que es más fácil trabajar con ellos en algunas aplicaciones.

Fundición por inyección

Como su nombre indica, la fundición por inyección fuerza el material fundido a un molde de cobre, típicamente un cilindro pequeño que producirá varillas cortas de uno a cuatro milímetros de diámetro.

El molde se mantiene dentro de un molde de cobre más grande enfriado por agua que proporciona velocidades de enfriamiento lo suficientemente rápidas como para producir muestras amorfas (vítreas) en algunas aleaciones.

"Las muestras pequeñas, generalmente de menos de cinco gramos, se colocan en una boquilla de grafito o cuarzo y se calientan rápidamente por inducción a varios cientos de grados por encima del punto de fusión. "dijo Matt Besser, Científico del Laboratorio Ames y director del Centro de Preparación de Materiales del Laboratorio. "Luego lo sacamos de la zona de calentamiento y presurizamos el sistema para que el material fluya dentro del molde".

Mediante el uso de moldes de diferentes formas, el material se puede moldear en placas, o cuñas. Besser dijo que los termopares se pueden colocar a lo largo de la cuña para medir la diferencia en las velocidades de enfriamiento desde el más rápido en la punta delgada hasta el más lento en el extremo más grueso.

"Podemos fabricar muestras para satisfacer necesidades específicas, Besser dijo:"y es conveniente porque podemos producir muestras pequeñas, especialmente cuando la aleación contiene materiales costosos ".

Buscando explicaciones para los acertijos de solidificación

Una de las formas más comunes y robustas de crear un nuevo material, particularmente una aleación metálica, es fundir dos o más materiales constituyentes, mezclarlos en estado líquido, luego congelarlos o "solidificarlos" bajo ciertas condiciones controladas. Aunque aparentemente simple, El procesamiento de solidificación puede producir una increíble variedad de estructuras de materiales con características importantes en escalas de nanómetros a centímetros. dando lugar a una serie de propiedades notables que van desde una mayor resistencia y rigidez hasta magnéticos inusuales, térmico, eléctrico, y propiedades fotónicas.

Pero el maquillaje y la estructura, y por tanto las propiedades, de ese resultado final puede variar mucho dependiendo de una variedad de condiciones presentes a medida que el material pasa de líquido a sólido. Ralph Napolitano, científico del Laboratorio Ames, trabaja para explicar y predecir qué ocurre en esa interfaz líquido-sólido y cómo esas diversas interacciones dan como resultado ciertas estructuras. químicas y propiedades.

"Cuando un material pasa de una fase líquida a una sólida, deben suceder muchas cosas como parte de esa transformación, "dijo Napolitano, quien también es profesor de ciencia e ingeniería de materiales de la Universidad Estatal de Iowa. "Nominalmente hablando, una fase líquida amorfa o no cristalina tiene que reconfigurarse en algún tipo de empaquetadura cristalina. Pero se están llevando a cabo muchos otros eventos simultáneos para que eso suceda. En efecto, es la forma en que los diferentes procesos de transporte y las diferentes entidades estructurales entran en esa ecuación lo que realmente influye en cómo se verá esa estructura final ".

Si el equilibrio produce el resultado normal o esperado, hay todo tipo de desviaciones que pueden cambiar el resultado del equilibrio. Algunas de ellas son desviaciones muy pequeñas, tales como composiciones químicas ligeramente diferentes o concentraciones ligeramente diferentes de diferentes tipos de defectos cristalinos. Las desviaciones también pueden ser muy grandes:empaquetamiento o composición cristalina completamente diferente o incluso una serie de múltiples fases que quizás nunca vea más cerca del equilibrio.

"Lo que dicta qué tan lejos del estado de equilibrio final podría estar es lo que sucede a lo largo de esa ruta desde el líquido de equilibrio a esta estructura lejos del equilibrio, "Dijo Napolitano." Variar la composición de un material y la velocidad a la que lo enfriamos tiene una influencia dramática sobre la fase final o el ensamblaje ".

"Más allá de la fase, la estructura cristalina particular, las condiciones durante la congelación influyen en gran medida en la morfología del crecimiento, ", continuó." Cualquier fase determinada crecerá con una determinada morfología que se optimiza dinámicamente con respecto a todos los diferentes procesos, como la redistribución del calor, especies quimicas, y configuración de defectos cristalinos, lo que hace que la transformación general sea más eficiente. Composición y velocidad de enfriamiento, junto con la fase en sí y las energías de los defectos e interfaces del cristal, todos juegan un papel en esta optimización dinámica colectiva, resultando en última instancia en la selección del estado final, que puede no parecerse en nada al estado de equilibrio.

"Esta síntesis lejos del equilibrio proporciona un portal o vía a las estructuras, químicas, y propiedades a las que no se puede acceder mediante métodos convencionales, "Dijo Napolitano.

Para complicar las cosas Estas vías pueden incluir varios otros pasos:antes y después de la solidificación, de modo que la compleja estructura de congelación solo puede servir como una etapa intermedia, en el camino hacia la estructura deseada.

La velocidad de enfriamiento proporciona un alto nivel de control en ciertas ventanas. En el extremo bajo (lento), la velocidad de enfriamiento se puede controlar con mucho cuidado, e incluso las velocidades de enfriamiento de los tratamientos isotérmicos a 100 grados por segundo se pueden controlar razonablemente bien.

"Podemos llegar a velocidades de enfriamiento de 10 ³ a 10 ⁴ grados por segundo con técnicas como derretir hilado, pero dentro de esa ventana, el control del proceso es un desafío y existen variaciones locales, ", Dijo Napolitano." Hemos investigado tales variaciones, y nuestro entendimiento ciertamente ha aumentado. Aún así, con relativamente pocas 'perillas de proceso' para girar (por ejemplo, temperatura de fusión, velocidad de la rueda, material de la rueda, tasa de inyección y diámetro de la corriente), el control cuantitativo preciso sigue siendo un verdadero desafío ".

Como estrategia para revelar una imagen más clara de los comportamientos complejos, El grupo de Napolitano ha optado por centrarse en unos pocos sistemas selectos de dos componentes o "binarios". En particular, sistemas binarios, como el cobre-circonio y el aluminio-samario, brindan grandes oportunidades para investigar la transformación lejos del equilibrio. Estos sistemas exhiben una solidificación competitiva compleja, formación de vidrio, y cristalización, formando una serie de fases de no equilibrio y estructuras de crecimiento de múltiples escalas. Al mismo tiempo, con solo dos componentes, el tratamiento analítico y computacional de la termodinámica y la cinética se vuelve más manejable, en comparación con los sistemas multicomponente.

"Con ambos sistemas, hay un rango de composición en el que el líquido forma un vaso con bastante facilidad para que pueda enfriarlo a velocidades que se pueden lograr experimentalmente, "Dijo Napolitano." Una vez que la aleación esté vidriosa, Se pueden utilizar otros tratamientos para cristalizar el material a baja temperatura. En este régimen, las condiciones se pueden controlar con cuidado, y las reacciones pueden ralentizarse sustancialmente, incluso permitiendo la investigación in situ en tiempo real. Por supuesto, Tener una imagen precisa y completa de la termodinámica del sistema es fundamental. Ya sea que esté solidificando el material directamente de un líquido, o primero enfriar a un vidrio y luego calentar para cristalizar el material, todavía tienes el mismo campo de juego termodinámico ".

El trabajo de aluminio-samario se está expandiendo a una gama más amplia de binarios, incluidas otras aleaciones de aluminio y tierras raras. En general, se espera que esos sistemas muestren comportamientos similares, aunque Napolitano advierte que los efectos muy sutiles pueden inclinar drásticamente el equilibrio entre las diferentes fases y estructuras de crecimiento. Existen diferencias energéticas muy pequeñas entre las fases en competencia. Bajo altas fuerzas impulsoras, estas diferencias son a menudo insignificantes y las vías cinéticas controlan el resultado. Incluso los cambios en la composición química del orden de un porcentaje o menos pueden cambiar drásticamente el estado final.

"Este tipo de estudio solo es posible reuniendo muchos enfoques diferentes en la física teórica de la materia condensada, ciencia de los Materiales, termodinámica computacional, síntesis de materiales, y caracterización de vanguardia, ", Dijo Napolitano." No hay duda de que este trabajo requiere toda la gama de capacidad experimental y computacional y un equipo de investigadores con una amplia gama de experiencia ".

Con ese fin, el nuevo equipo de microscopía electrónica en la Instalación de Instrumentos Sensibles (SIF) del Laboratorio Ames jugará un papel vital. "Es importante no solo en términos de resolución espacial, pero también algunas de las capacidades in situ, ", dijo." La microscopía electrónica de transmisión en etapa caliente con resolución a escala atómica nos permitirá observar algunas de las dinámicas de las etapas iniciales que en realidad son eventos decisivos que tienden a enviar el material por una trayectoria completamente diferente. Tan absolutamente el SIF es fundamental para avanzar en esta área ".