Investigadores de la Universidad de Brown y el Instituto de Investigación de Metales de la Academia de Ciencias de China han encontrado una nueva forma de utilizar nanotwins (pequeños límites lineales en la red atómica de un metal que tienen estructuras cristalinas idénticas en ambos lados) para fabricar metales más fuertes.

En un artículo de la revista Ciencias , los investigadores muestran que al variar el espacio entre los límites gemelos, en lugar de mantener un espaciado constante en todas partes, produce mejoras dramáticas en la resistencia de un metal y la velocidad de endurecimiento por trabajo, el grado en que un metal se fortalece cuando se deforma.

Huajian Gao, un profesor de la Escuela de Ingeniería de Brown que codirigió el trabajo, dice que la investigación podría apuntar hacia nuevas técnicas de fabricación de materiales de alto rendimiento.

"Este trabajo trata de lo que se conoce como material degradado, es decir, un material en el que hay una variación gradual en su composición interna, "Dijo Gao." Los materiales degradados son un área de investigación candente porque a menudo tienen propiedades deseables en comparación con los materiales homogéneos. En este caso, queríamos ver si un gradiente en el espaciado de nanotwin producía nuevas propiedades ".

Gao y sus colegas ya han demostrado que los propios nanotwins pueden mejorar el rendimiento del material. Cobre nanotwinning, por ejemplo, ha demostrado ser significativamente más resistente que el cobre estándar, con una resistencia a la fatiga inusualmente alta. Pero este es el primer estudio que prueba los efectos del espaciado variable de nanotwin.

Gao y sus colegas crearon muestras de cobre utilizando cuatro componentes distintos, cada uno con un espaciado límite de nanotwin diferente. Espacios que van desde 29 nanómetros entre límites hasta 72 nanómetros. Las muestras de cobre estaban compuestas por diferentes combinaciones de los cuatro componentes dispuestos en diferentes órdenes a lo largo del espesor de la muestra. Luego, los investigadores probaron la fuerza de cada muestra compuesta, así como la fuerza de cada uno de los cuatro componentes.

Las pruebas mostraron que todos los compuestos eran más fuertes que la resistencia promedio de los cuatro componentes de los que estaban hechos. Notablemente, uno de los compuestos era en realidad más fuerte que el más fuerte de sus componentes constituyentes.

"Para dar una analogía, pensamos en una cadena tan fuerte como su eslabón más débil, "Dijo Gao." Pero aquí, tenemos una situación en la que nuestra cadena es en realidad más fuerte que su eslabón más fuerte, lo cual es realmente asombroso ".

Otras pruebas mostraron que los compuestos también tenían tasas más altas de endurecimiento por trabajo que el promedio de sus componentes constituyentes.

Para comprender el mecanismo detrás de estos aumentos en el rendimiento, los investigadores utilizaron simulaciones por computadora de la estructura atómica de sus muestras bajo tensión. A nivel atómico, los metales responden a la tensión mediante el movimiento de dislocaciones, defectos en la línea de la estructura cristalina donde los átomos son empujados fuera de lugar. La forma en que esas dislocaciones crecen e interactúan entre sí es lo que determina la fuerza de un metal.

Las simulaciones revelaron que la densidad de dislocaciones es mucho mayor en el gradiente de cobre que en un metal normal.

"Encontramos un tipo único de dislocación que llamamos paquetes de dislocaciones concentradas, que conducen a dislocaciones de un orden de magnitud más denso de lo normal, ", Dijo Gao." Este tipo de dislocación no ocurre en otros materiales y es por eso que este gradiente de cobre es tan fuerte ".

Gao dijo que si bien el equipo de investigación utilizó cobre para este estudio, Los nanotwins también se pueden producir en otros metales. Entonces, es posible que los gradientes de nanotwin puedan mejorar las propiedades de otros metales.

"Esperamos que estos hallazgos motiven a las personas a experimentar con gradientes gemelos en otros tipos de materiales, "Dijo Gao.