Cuando las técnicas de fabricación convierten metales, cerámicas o compuestos en una forma tecnológicamente útil, es esencial comprender el mecanismo del proceso de transformación de fase para dar forma al comportamiento de esos materiales de alto rendimiento. Sin embargo, ver esas transformaciones en tiempo real es difícil.

Un nuevo estudio en la revista Nature , dirigido por el profesor Guangwen Zhou del Departamento de Ingeniería Mecánica y Ciencia de los Materiales de la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas Thomas J. Watson de la Universidad de Binghamton, utiliza microscopía electrónica de transmisión (TEM) para examinar la transformación de óxido en metal en el nivel atómico. De particular interés son las dislocaciones de desajuste que siempre están presentes en las interfaces de los materiales multifásicos y juegan un papel clave en la determinación de las propiedades estructurales y funcionales.

Los estudiantes de Zhou, Xianhu Sun y Dongxiang Wu, son los primeros coautores del artículo ("Cinética de parar y seguir inducida por dislocación de las transformaciones interfaciales"). Sun terminó recientemente su Ph.D. tesis, y Wu es un Ph.D. candidato. Otros colaboradores son Lianfeng Zou, MS '12, Ph.D. '17, ahora profesor en la Universidad de Yanshan y Ph.D. el candidato Xiaobo Chen; la profesora Judith Yang, el profesor asistente de investigación visitante Stephen House y la investigadora postdoctoral Meng Li de la Escuela de Ingeniería Swanson de la Universidad de Pittsburgh; y el científico Dmitri Zakharov del Centro de Nanomateriales Funcionales, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía (DOE) de EE. UU. en el Laboratorio Nacional de Brookhaven.

Usando la técnica avanzada, dijo Zhou, "los fabricantes pueden controlar la microestructura y las propiedades de los materiales actuales y diseñar nuevos tipos de materiales. Esta investigación tiene cierta importancia práctica, pero también tiene un significado fundamental".

Los experimentos probaron la transformación del óxido de cobre en cobre. La observación directa de una transformación de interfaz de este tipo a escala atómica es un desafío porque requiere la capacidad no solo de acceder a la interfaz enterrada, sino también de aplicar estímulos químicos y térmicos para impulsar la transformación.

Mediante el uso de técnicas ambientales de TEM capaces de introducir gas hidrógeno en el microscopio para impulsar la reducción de óxido mientras realiza simultáneamente imágenes de TEM, el equipo de investigación pudo monitorear atómicamente la reacción interfacial. Sorprendentemente, los investigadores observaron que la transformación de óxido de cobre a cobre ocurre de manera intermitente porque se detiene temporalmente por dislocaciones de desajuste, un comportamiento similar a un proceso intermitente regulado por semáforos.

"Esto es inesperado, porque el sentido común aceptado por la comunidad de investigación de materiales es que las dislocaciones de la interfaz son los lugares para facilitar la transformación en lugar de retrasarla", dijo Zhou.

Para comprender lo que estaba sucediendo, Wu desarrolló códigos de computadora para explicar lo que estaban presenciando en los experimentos. Este proceso de ida y vuelta entre los experimentos y el modelado por computadora ayudó al equipo a comprender cómo las dislocaciones inadaptadas controlan el transporte de átomos de largo alcance necesario para la transformación de fase.

"Este proceso iterativo en bucle entre los experimentos y el modelado por computadora, ambos a nivel atómico, es un aspecto emocionante para la investigación de materiales", dijo Zhou.

La información fundamental podría resultar útil para diseñar nuevos tipos de materiales multifásicos y controlar su microestructura, que pueden usarse en diversas aplicaciones, como materiales estructurales de carga, fabricación electrónica y reacciones catalíticas para la producción de energía limpia y la sostenibilidad ambiental.

Después de recopilar datos iniciales en Binghamton, Sun y el equipo de investigación repitieron los experimentos en equipos de Pitt y Brookhaven, que tienen capacidades diferentes.

"Este es un trabajo colaborativo. Sin los facilitadores en Brookhaven Lab y la Universidad de Pittsburgh, no podemos ver lo que necesitamos ver", dijo Sun. "Además, en las últimas etapas de mi análisis de datos, hablé muchas veces de los resultados con Judy, Meng y Dmitri. Recuerdo que cuando terminamos el primer borrador y le enviamos el manuscrito a Dmitri, él me dijo que tal vez deberíamos incluir algunos ecuaciones para confirmar nuestros resultados observados, y envió alguna literatura relevante. Así que ahora podemos demostrar que esos cálculos concuerdan con nuestros resultados experimentales".

Yang también calificó la investigación como "una asociación realmente agradable" que reunió a los mejores elementos de Binghamton, Pitt y Brookhaven.

"La capacidad de usar herramientas de vanguardia es una de las cosas que sustenta la nueva ciencia, como se ejemplifica aquí", dijo. "Brookhaven tiene un microscopio excepcional que puede tomar estrés ambiental a presiones más altas que el que tenemos en la Universidad de Pittsburgh, y tiene una mayor capacidad analítica. Pero el de la Universidad de Pittsburgh es un buen microscopio electrónico de transmisión de alta resolución que puede aceptar gas, es un microscopio más robusto. También hay más tiempo de investigación disponible".

Usó una analogía para explicar por qué es importante ver las reacciones químicas en tiempo real:"Cuando compras pescado y está empacado, solo puedes entender un límite sobre ese pescado en lugar de verlo en un entorno real".

Debido a que los laboratorios nacionales del DOE pueden ofrecer instrumentos de última generación y experiencia de primer nivel que complementan lo que está disponible en las universidades y la industria de alta tecnología, pueden ayudar a los investigadores, especialmente a los que se encuentran al principio de sus carreras, a llevar su trabajo al siguiente nivel. nivel, en la mayoría de los casos de forma gratuita.

Zakharov dijo que está contento de haber participado en esta investigación de materiales:"El poder de la técnica es que es un método directo para ver todas estas dislocaciones y transformaciones de fase. Puedes controlar la reacción y puedes ir y venir para observar cómo se comportan esas dislocaciones en las interfaces. No existe ninguna otra técnica con una observación tan directa".

Sun, que ahora trabaja en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, también un Laboratorio Nacional del DOE, está feliz de que finalmente se publique esta investigación.

“Empecé a analizar estos datos en marzo de 2018, por lo que me tomó casi cinco años terminar este trabajo”, dijo. "Es un desafío, pero vale la pena". + Explora más

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