(PhysOrg.com) - Investigadores del Instituto de Tecnología de California han desarrollado una forma de hacer que algunos materiales notoriamente frágiles sean dúctiles, pero más fuertes que nunca, simplemente reduciendo su tamaño.

La obra, por Dongchan Jang, becario postdoctoral senior, y Julia R. Greer, profesor asistente de ciencia y mecánica de materiales en Caltech, eventualmente podría conducir al desarrollo de innovadoras, Super fuerte, pero materiales ligeros y tolerantes a los daños. Estos nuevos materiales podrían utilizarse como componentes en aplicaciones estructurales, como en vehículos aeroespaciales ligeros que duran más en condiciones ambientales extremas y en buques de guerra resistentes a la corrosión y al desgaste.

Un artículo sobre el trabajo aparece en la edición en línea anticipada del 7 de febrero de la revista. Materiales de la naturaleza .

"Históricamente, "dice Greer, "los materiales estructurales siempre han tenido que depender de sus condiciones de procesamiento, y por lo tanto han sido 'esclavos' de sus propiedades ". Por ejemplo, las cerámicas son muy fuertes, lo que los hace ideales para aplicaciones estructurales. Al mismo tiempo, estos materiales son muy pesados, que es problemático para muchas aplicaciones, y son extremadamente frágiles, que es menos que ideal para soportar cargas pesadas. De hecho, dice Greer, "Fallan catastróficamente bajo cargas mecánicas". Metales y aleaciones, por otra parte, son dúctiles, y por lo tanto es poco probable que se rompa, pero carecen de la fuerza de la cerámica.

Los científicos de materiales han desarrollado una clase intrigante de materiales llamados aleaciones metálicas vítreas, que son amorfos y carecen de la estructura cristalina de los metales tradicionales. Los materiales, también conocidos como vidrios metálicos, se componen de arreglos aleatorios de elementos metálicos como el circonio, titanio, cobre, y níquel. Son livianos, una "gran ventaja" por su incorporación a nuevos tipos de dispositivos, Greer dice, y sin embargo, son comparables en resistencia a la cerámica. Desafortunadamente, su estructura aleatoria hace que los cristales metálicos sean bastante frágiles. "También fallan catastróficamente bajo cargas de tracción, " ella dice.

Pero ahora Greer y Jang, el primer autor del artículo Nature Materials, han desarrollado una estrategia para superar estos obstáculos mediante la fabricación de vidrios metálicos que son casi infinitamente pequeños.

Los científicos idearon un proceso para fabricar pilares de vidrio metálico ricos en circonio de tan solo 100 nanómetros de diámetro, aproximadamente 400 veces más estrechos que el ancho de un cabello humano. En este tamaño, Greer dice:"los cristales metálicos no solo se vuelven aún más fuertes, pero también dúctil, lo que significa que pueden deformarse hasta un cierto alargamiento sin romperse. Fuerza más ductilidad, " ella dice, representa "una combinación muy lucrativa para aplicaciones estructurales".

Todavía, no hay aplicaciones inmediatas para los nuevos materiales, aunque es posible combinar los nanopilares en matrices, que luego podrían formar los bloques de construcción de estructuras jerárquicas más grandes con la fuerza y ​​ductilidad de los objetos más pequeños.

La obra, sin embargo, "muestra de manera convincente que 'tamaño' se puede utilizar con éxito como parámetro de diseño, ", Dice Greer." Estamos entrando en una nueva era en la ciencia de los materiales, donde se pueden crear materiales estructurales no solo utilizando estructuras monolíticas, como la cerámica y los metales, sino también introduciendo características 'arquitectónicas' en ellos ".

Por ejemplo, Greer está trabajando para fabricar una arquitectura de "ladrillo y mortero" utilizando placas diminutas de vidrio metálico y metal dúctil de grano ultrafino con dimensiones a nanoescala que luego podrían usarse para fabricar nuevos compuestos de ingeniería con resistencia y ductilidad amplificadas.

Utilizar este enfoque impulsado por la arquitectura para crear materiales estructurales con propiedades mejoradas, es decir, por ejemplo, Super fuerte, pero livianos y dúctiles:los investigadores deben comprender cómo se deforma cada parte constituyente durante el uso y bajo estrés.

"Nuestros hallazgos, " ella dice, "proporcionan una base poderosa para utilizar componentes a nanoescala, que son capaces de soportar cargas muy altas sin presentar fallas catastróficas, en aplicaciones estructurales a gran escala, específicamente mediante la incorporación de control arquitectónico y microestructural ".

Greer agrega:"¡El aspecto particularmente interesante del experimento es que es casi imposible de hacer! Dongchan, mi increíble postdoctorado, fue capaz de hacer muestras individuales de nanopilares de vidrio metálico extensible de 100 nanómetros de diámetro, que nadie había hecho antes, y luego usamos nuestro instrumento de deformación mecánica in situ hecho a medida, SEMentor, para realizar los experimentos. Él fabricó las muestras, los probé, y analizó los datos. Juntos pudimos interpretar los resultados y formular la teoría fenomenológica, pero el mérito es de él ".

El trabajo en el Materiales de la naturaleza papel, "Transición de un estado fuerte pero quebradizo a un estado más fuerte y dúctil mediante la reducción del tamaño de los vidrios metálicos, "fue financiado por la Fundación Nacional de Ciencias y la Oficina de Investigación Naval, y utilizó las instalaciones de fabricación y caracterización del Instituto de Nanociencia Kavli en Caltech.