La alta presión podría ser la clave para hacer mezclas de metales avanzadas que sean más ligeras, más fuerte y más resistente al calor que las aleaciones convencionales, sugiere un nuevo estudio de investigadores de Stanford.

Los seres humanos han estado mezclando metales para crear aleaciones con propiedades únicas durante miles de años. Pero las aleaciones tradicionales generalmente consisten en uno o dos metales dominantes con una pizca de otros metales o elementos agregados. Los ejemplos clásicos incluyen agregar estaño al cobre para hacer bronce, o carbono a hierro para crear acero.

A diferencia de, Las aleaciones de "alta entropía" consisten en múltiples metales mezclados en cantidades aproximadamente iguales. El resultado son aleaciones más fuertes y ligeras que son más resistentes al calor, corrosión y radiación, y que incluso podría poseer una mecánica única, propiedades magnéticas o eléctricas.

A pesar del gran interés de los científicos de materiales, Las aleaciones de alta entropía aún tienen que dar el salto del laboratorio a productos reales. Una de las principales razones es que los científicos aún no han descubierto cómo controlar con precisión la disposición, o estructura de embalaje, de los átomos constituyentes. La forma en que se organizan los átomos de una aleación puede influir significativamente en sus propiedades, ayudando a determinar, por ejemplo, si es rígido o dúctil, fuerte o quebradizo.

"Algunas de las aleaciones más útiles están formadas por átomos metálicos dispuestos en una combinación de estructuras de empaque, "dijo el primer autor del estudio, Cameron Tracy, investigador postdoctoral en la Escuela de la Tierra de Stanford, Ciencias de la Energía y el Medio Ambiente y el Centro de Seguridad y Cooperación Internacional (CISAC).

Una nueva estructura

Hasta la fecha, Los científicos solo han podido recrear dos tipos de estructuras de empaque con la mayoría de las aleaciones de alta entropía, llamado cúbico centrado en el cuerpo y cúbico centrado en la cara. Un tercio, La estructura de empaquetamiento común ha eludido en gran medida los esfuerzos de los científicos, hasta ahora.

En el nuevo estudio, publicado en línea en la revista Comunicaciones de la naturaleza , Tracy y sus colegas informan que han creado con éxito una aleación de alta entropía, hecho de metales comunes y fácilmente disponibles, con una estructura denominada hexagonal compacta (HCP).

"En los últimos años se ha fabricado una pequeña cantidad de aleaciones de alta entropía con estructura HCP, pero contienen muchos elementos exóticos como metales alcalinos y metales de tierras raras, ", Dijo Tracy." Lo que logramos hacer es hacer una aleación HCP de alta entropía a partir de metales comunes que se utilizan normalmente en aplicaciones de ingeniería ".

El truco, aparece, es alta presión. Tracy y sus colegas usaron un instrumento llamado celda de yunque de diamante para someter pequeñas muestras de una aleación de alta entropía a presiones de hasta 55 gigapascales, aproximadamente la presión que uno encontraría en el manto de la Tierra. "La única vez que verías naturalmente esa presión sobre la superficie de la Tierra es durante un impacto de meteorito realmente grande, "Dijo Tracy.

La alta presión parece desencadenar una transformación en la aleación de alta entropía que utilizó el equipo, que consistía en manganeso, cobalto, planchar, níquel y cromo. "Imagina los átomos como una capa de pelotas de ping pong sobre una mesa, y luego agregando más capas en la parte superior. Eso puede formar una estructura de empaque cúbica centrada en las caras. Pero si cambia algunas de las capas ligeramente en relación con la primera, obtendría una estructura hexagonal compacta, "Dijo Tracy.

Los científicos han especulado que la razón por la que las aleaciones de alta entropía no experimentan este cambio de forma natural es porque las fuerzas magnéticas que interactúan entre los átomos del metal evitan que esto suceda. Pero la alta presión parece interrumpir las interacciones magnéticas.

"Cuando presurizas un material, empujas todos los átomos más juntos. A menudo, cuando comprimes algo, se vuelve menos magnético, "Dijo Tracy." Eso es lo que parece estar sucediendo aquí:comprimir la aleación de alta entropía la hace no magnética o casi no magnética, y de repente es posible una fase HCP ".

Configuración estable

Curiosamente, la aleación retiene una estructura HCP incluso después de que se elimina la presión. "La mayor parte del tiempo, cuando quitas la presión, los átomos vuelven a su configuración anterior. Pero eso no está sucediendo aquí y eso es realmente sorprendente, "dijo la coautora del estudio, Wendy Mao, profesor asociado de ciencias geológicas en la Escuela de la Tierra de Stanford, Ciencias energéticas y ambientales.

El equipo también descubrió que al aumentar lentamente la presión, podrían aumentar la cantidad de estructura hexagonal compacta en su aleación. "Esto sugiere que es posible adaptar el material para darnos exactamente las propiedades mecánicas que queremos para una aplicación en particular, "Dijo Tracy.

Por ejemplo, Los motores de combustión y las centrales eléctricas funcionan de manera más eficiente a altas temperaturas, pero las aleaciones convencionales tienden a no funcionar bien en condiciones extremas porque sus átomos comienzan a moverse y se vuelven más desordenados.

"Aleaciones de alta entropía, sin embargo, ya poseen un alto grado de desorden debido a sus naturalezas altamente entremezcladas, "Dijo Tracy." Como resultado, tienen propiedades mecánicas que son excelentes a bajas temperaturas y se mantienen excelentes a altas temperaturas ".

En el futuro, Los científicos de materiales pueden afinar aún más las propiedades de las aleaciones de alta entropía mezclando diferentes metales y elementos. "Hay una gran parte de la tabla periódica y muchas permutaciones por explorar, "Dijo Mao.