Durante milenios, la gente ha usado arena fundida y otros ingredientes para crear cuentas de vidrio y de moda, buques, lentes y ventanas.

Estos días, Los vidrios metálicos, hechos completamente de átomos de metal, se están desarrollando para aplicaciones biomédicas, como agujas quirúrgicas extrafiladas, stents, y articulaciones o implantes artificiales porque las aleaciones pueden ser muy duras, Super fuerte, muy liso y resistente a la corrosión.

Si bien una combinación de prueba y error e investigación científica ayudó a refinar los procesos de fabricación de vidrio a lo largo del tiempo, El control de la creación de vidrios metálicos a nivel atómico sigue siendo un esfuerzo inexacto informado en gran parte por una larga experiencia e intuición.

"Nuestro trabajo, "dice Paul Voyles, "es construir un entendimiento fundamental agregando más datos".

El profesor Beckwith-Bascom de ciencia e ingeniería de materiales en la Universidad de Wisconsin-Madison, Voyles y colaboradores en Madison y en la Universidad de Yale han logrado avances experimentales significativos para comprender cómo, cuándo y dónde los átomos en constante movimiento en el metal fundido "se bloquean" en su lugar a medida que el material pasa de líquido a vidrio sólido.

Describieron lo que observaron sobre cómo esos átomos se reorganizan a diferentes temperaturas a lo largo del tiempo hoy (19 de marzo de 2018) en la revista Comunicaciones de la naturaleza . Es un conocimiento que puede agregar una claridad experimental muy necesaria a varias teorías en competencia sobre cómo ese proceso, llamada transición vítrea, ocurre. También podría ayudar a reducir el tiempo y los costos asociados con el desarrollo de nuevos materiales de vidrio metálico. y proporcionar a los fabricantes una mayor comprensión del diseño de procesos.

Un desafío de procesamiento es que a medida que los metales pasan de líquido fundido a sólido, tienden a formarse ordenadamente, estructuras atómicas que se repiten regularmente llamadas cristales. A diferencia de, Los materiales de vidrio tienen una estructura atómica muy desordenada. Y mientras que hacer un vidrio metálico de alto rendimiento suena tan simple como evitar que los átomos de metal formen cristales a medida que el material se enfría, en realidad, depende un poco de la suerte del sorteo.

"El proceso que hace que un vaso y el proceso que hace que un cristal compitan entre sí, y el que gana, el que ocurre a un ritmo más rápido, determina el producto final, "dice Voyles, cuyo trabajo cuenta con el apoyo de la National Science Foundation y el Departamento de Energía de EE. UU.

En un liquido todos los átomos se mueven uno al lado del otro en todo momento. Como se enfría un metal fundido, y comienza su transición a un sólido, sus átomos se ralentizan y finalmente dejan de moverse.

Es una danza complicada a nivel atómico que los científicos aún están desentrañando. Aprovechando su experiencia en microscopía electrónica y análisis de datos, Voyles y sus colaboradores han medido cuánto tiempo lleva, de media, que un átomo gane o pierda átomos adyacentes a medida que su entorno fluctúa en el líquido fundido.

"Un átomo está rodeado por un montón de otros átomos, "Dice Voyles." A temperaturas realmente altas, rebotan y cada picosegundo (una billonésima de segundo), tienen un nuevo grupo de vecinos. A medida que la temperatura disminuye, se quedan con sus vecinos cada vez más hasta que se quedan de forma permanente ".

A altas temperaturas, todos los átomos se mueven rápido. Luego, a medida que el líquido se enfría, se mueven más lentamente; una descripción simple podría ser que todos los átomos disminuyen la velocidad juntos, a la misma velocidad, hasta que dejen de moverse y el material se convierta en un vidrio sólido.

"Ahora hemos demostrado experimentalmente que eso no es lo que sucede, "dice Voyles.

Bastante, él dice, Los experimentos de su equipo confirmaron que el tiempo que tardan los átomos en bloquearse en su lugar varía ampliamente, al menos en un orden de magnitud, de un lugar a otro dentro del mismo líquido.

"Algunas regiones del tamaño de un nanómetro se vuelven 'pegajosas' primero y se aferran a sus vecinas durante mucho tiempo, mientras que entre los bits adhesivos hay bits que se mueven mucho más rápido, ", dice." Continúan fluctuando 10 veces más rápido que en las partes lentas y luego todo se vuelve más lento, pero las partes pegajosas también se hacen más grandes hasta que las partes pegajosas 'ganan' y el material se vuelve sólido ".

Ahora, él y sus colaboradores están trabajando para comprender cómo difieren los arreglos atómicos entre las partes lenta y rápida.

"Esa es la próxima gran pieza que falta en el rompecabezas, " él dice.

El avance proporciona información valiosa sobre el proceso fundamental a través del cual cada material de vidrio, desde el vidrio para ventanas hasta las botellas de plástico, las preparaciones farmacéuticas y muchos otros, pasa de líquido a sólido. dice Voyles.

"Esta es una ciencia realmente básica, ", dice." Pero el impacto potencial final para las aplicaciones es si realmente entendemos cómo funciona esto a nivel atómico, eso nos da la oportunidad de construir un control que nos permite fabricar anteojos con lo que queremos en lugar de solo conseguir anteojos cuando tenemos suerte ".