Las estructuras mecánicas son tan sólidas como los materiales con los que están hechas. Durante décadas, los investigadores han estudiado materiales de estas estructuras para ver por qué y cómo fallan. Antes de una falla catastrófica, hay grietas o dislocaciones individuales que se forman, que son señales de que una estructura puede estar debilitándose. Si bien los investigadores han estudiado las dislocaciones individuales en el pasado, un equipo de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, la Universidad de Tennessee, y el Laboratorio Nacional de Oak Ridge ha hecho posible comprender cómo se organizan y reaccionan las dislocaciones a nanoescala.

"Los metales están hechos de policristales y los cristales tienen átomos dispuestos de manera ordenada, "explicó el autor principal Jian-Mu Zuo, Ivan Racheff Profesor de Ciencia e Ingeniería de Materiales y afiliado al Laboratorio de Investigación de Materiales Frederick Seitz en Illinois. "A medida que se aplica fuerza en estos metales, el cristal se deslizará y se moverá uno contra el otro. Una estructura como un puente puede tener muchas dislocaciones, que puede moverse, pero la cantidad de movimiento es tan pequeña, no tiene ninguna consecuencia. Sin embargo, mientras miles o decenas de miles de dislocaciones se enredan dentro de un metal, y producen estrés local. Esta organización puede provocar una deformación repentina, como una avalancha de nieve. Eso es muy dramático y mucho más difícil de controlar ".

El equipo, que también incluye a la física de materia condensada de Illinois Karin Dahmen, publicó sus resultados en Física de las comunicaciones . El trabajo experimental fue realizado por el Dr. Yang Hu, como parte de su tesis doctoral.

Hasta este estudio, los investigadores no podían entender el mecanismo detrás de la avalancha de dislocaciones dentro de una estructura. Sin embargo, el equipo de Illinois descubrió que una serie de dislocaciones se acumulaban formando una presa para prohibir el movimiento. Detrás de la presa hay dislocaciones enredadas. Una vez que haya suficiente presión, se forma una avalancha que hace que la presa ceda y un movimiento brusco de las dislocaciones enredadas, que debilita el metal y eventualmente puede conducir a fallas catastróficas. Al tener una mejor comprensión de este proceso, este estudio promete ayudar a desarrollar materiales aún más resistentes en el futuro y predecir mejor cuándo una estructura puede estar en peligro.

Para estudiar las dislocaciones, que parecen cadenas de tan solo 10-9 metros de ancho, siguieron el desarrollo de las avalanchas de dislocación en los nanopilares comprimidos de una aleación de alta entropía (HEA). El HEA tiene la misma estructura promedio que el cobre o el oro. Pero los átomos están dispuestos de tal manera que permiten a los investigadores hacer mediciones simultáneas y correlacionar el movimiento de dislocación con la respuesta mecánica y señalar exactamente dónde ocurre la avalancha. Al identificar las bandas de dislocación, los investigadores pueden observar lo que sucede antes, durante, y después de la avalancha.

"La gente ha entendido cómo se mueven las dislocaciones individuales, pero hasta este punto no han entendido cómo se mueven juntos de repente, ", Señaló Zuo." Nuestra innovación es utilizar un nuevo material (el HEA) para estudiar un problema muy antiguo y desarrollar esta técnica para hacerlo ".

Debido a que las dislocaciones generalmente se estructuran a sí mismas a micras de distancia (piense en la red de grietas en una capa de hielo después de caminar sobre ella), hace que sea difícil identificar un solo evento mirándolos dentro de un microscopio que solo funciona con muestras delgadas (dentro de un microscopio electrónico de transmisión, el grosor de la muestra suele ser inferior a una micra).

"En un metal convencional, las dislocaciones están demasiado separadas de lo que podemos ver a la vez, por lo tanto, desaparecen en la superficie ", explicó Zuo." Además, un metal deformado tiene racimos de dislocaciones, pero solo unos pocos que están realmente activos. Por eso, algunos estudiosos han comentado cuando la gente observa la deformación posterior en el metal, es como visitar un cementerio de dislocaciones ".

Para presenciar una avalancha única completa, Zuo y su equipo necesitaban encontrar un material donde la dislocación interactúe en una escala mucho menor. El HEA es un nuevo tipo de aleación compuesta por cinco elementos metálicos diferentes (Al0.1CoCrFeNi). Debido a que cada átomo de metal tiene un tamaño diferente y el cristal está distorsionado, ralentiza la dislocación, lo que permite almacenar muchas dislocaciones y una avalancha en un volumen relativamente pequeño.

Los investigadores de Illinois pudieron medir la dislocación mediante una técnica llamada nanoindentación. Toman un trozo de HEA y usan un haz de iones para fabricar un nanopilar y aplican la fuerza al nanopilar con una pequeña punta de diamante plana de un nanoindentador.

"Este material nos permite observar las dislocaciones en la nanoescala (500 nanómetros), "dijo Zuo, explicando el proceso. "Tenemos un laboratorio mecánico que aplica una fuerza a una muestra de prueba dentro de un microscopio electrónico. A medida que se aplica la tensión, la muestra se deforma. Cuando el estrés excede el estrés requerido para que la dislocación se mueva dentro del nanopilar, la dislocación se multiplicará. A medida que la dislocación se mueve y encuentra una resistencia, disminuyen la velocidad y se enredan entre sí y forman una banda de dislocación. Si piensas en el estrés como un flujo de agua, entonces, la avalancha de dislocaciones es como una presa que se rompe y el agua se agota repentinamente. La HEA hace posible la observación. "

Los resultados del proceso son dos mediciones:primero una medición mecánica, lo que permite a los investigadores estudiar cuánta fuerza se necesita para que las dislocaciones se muevan y en qué medida, y en segundo lugar, imágenes de electrones para capturar el movimiento de dislocación en un video. Hasta ahora, ningún estudio ha podido acoplar la imagen de electrones y la medición de la fuerza mecánica para estudiar las avalanchas de dislocaciones.

"De estudios acumulativos anteriores, supimos cómo se producen las dislocaciones y hemos podido estudiar lo que quedó atrás, ", Dijo Zuo." Este estudio proporciona una respuesta crítica sobre cómo interactúan las dislocaciones ".

Zuo agrega que este tipo de medición puede usarse para desarrollar teorías y modelos computacionales que se usarán para predecir cómo se comportarán los materiales bajo cierta tensión.

"Eso es importante porque una falla catastrófica comienza con este tipo de deformación repentina, ", Dijo Zuo." Seremos capaces de predecir mejor la acción antes de que se produzca una falla catastrófica. Eso, a su vez, debería conducir al desarrollo de materiales mucho más resistentes ".

Este estudio coincide con grandes esfuerzos en todo el campus de Illinois para utilizar HEA para reactores nucleares y aplicaciones de alta temperatura.

"Los HEA son estables a altas temperaturas y pueden soportar mucha tensión, "Dijo Zuo." Si entendemos la estructura de dislocación, ayudará a desarrollar materiales para aplicaciones muy desafiantes ".