Los seres humanos han estado enfriando mezclas de metales de líquido a sólido durante miles de años. Pero sorprendentemente no se sabe mucho sobre lo que sucede exactamente durante el proceso de solidificación. Particularmente desconcertante es la solidificación de los eutécticos, que son mezclas de dos o más fases sólidas.

Ashwin Shahani, profesor asistente de ciencia e ingeniería de materiales en la Universidad de Michigan, está trabajando para resolver el misterio de la solidificación eutéctica, y su investigación ha revelado un intrincado y hermoso universo de varillas a nanoescala, láminas y espirales que se forman espontáneamente al enfriarse las aleaciones metálicas.

Nos sentamos recientemente para hablar con él sobre su último artículo, "Cristalización en varios pasos de eutécticas espirales autoorganizadas, "y cómo podría conducir a una nueva generación de aleaciones ligeras y productos ópticos con propiedades superiores a los materiales monolíticos.

¿Qué te motivó a estudiar la solidificación de metales?

Creo que es una de las hazañas más notables de la naturaleza. ¿Cómo pueden estos elaborados patrones formarse espontáneamente a partir de un líquido desordenado? ¿Por qué la naturaleza elige un patrón o configuración sobre otro? Mucho es pura curiosidad innata y la alegría de compartirlo con mis alumnos.

¿Por qué es importante comprender cómo se forman estas estructuras a nanoescala?

La estructura a nanoescala de un material cambia sus propiedades. Entonces, si podemos entender por qué se forma una estructura determinada, podemos diseñar un proceso de fabricación para recrearlo, o incluso cambiarlo para incorporar las propiedades específicas que queramos. Podemos fabricar materiales más ligeros o más fuerte, o que doblan la luz de cierta manera, por ejemplo.

¿Para qué se podrían utilizar esos nuevos materiales?

Un material que dobla la luz de cierta manera podría usarse para hacer una capa de invisibilidad. Podría diseñar una sola hoja de metal con propiedades que difieran a lo largo de su superficie, por ejemplo, un ala de avión que sea más fuerte en algunos lugares y más liviana en otros. Podría fabricar componentes automotrices más livianos y de menor consumo de combustible. Las posibilidades son infinitas.

¿Por qué no podemos fabricar estos materiales utilizando los métodos de fabricación existentes?

Podemos, pero es extremadamente difícil y requiere mucho tiempo. Si queremos fabricar un patrón en espiral a nanoescala, por ejemplo, tenemos que usar la litografía para imprimir cada pequeña espiral. Eso no es práctico para la fabricación a gran escala. Pero, ¿qué pasaría si pudiera hacer que esas espirales se autoensamblaran simplemente enfriando el líquido de manera diferente o cambiando ligeramente su mezcla de metales? Eso haría que el proceso fuera mucho más rápido y escalable.

Si los humanos han estado usando la solidificación durante tanto tiempo, ¿Por qué nadie ya se ha dado cuenta de esto?

Porque en el pasado este tipo de investigación se basó en seccionar un material que ya se ha solidificado y mirarlo bajo el microscopio. Y eso le da una visión muy limitada de cómo ocurre la solidificación.

Estamos utilizando una combinación única de tecnologías de imágenes multimodales y multiescala para crear una imagen tridimensional de lo que está sucediendo en tiempo real durante el proceso de solidificación. Implica combinar muchas técnicas de imágenes diferentes que pueden darnos una imagen cohesiva desde la escala de micrómetros hasta los átomos individuales.

¿Cuáles son algunos de los desafíos de combinar todas esas tecnologías?

Uno de los mayores desafíos es que las imágenes en 3D de alta resolución requieren una gran cantidad de datos. Eso hace que este sea un desafío de big data, así como un desafío de ciencia de materiales. Obviamente, tener un alto nivel de potencia informática es importante, pero también hemos introducido algunas estrategias novedosas. Por ejemplo, hemos comenzado a utilizar algoritmos de aprendizaje automático para revisar nuestros datos y encontrar cosas que sean dignas de mención.

¿Cuál es el siguiente paso de esta investigación?

La mayoría de los materiales de ingeniería constan no solo de dos componentes, sino de un cóctel de elementos. Así que ahora mismo estamos viendo cómo la química afecta el proceso de solidificación. Si agrego una pequeña cantidad de otro metal a la mezcla fundida, ¿Cómo cambia eso las estructuras a nanoescala que se forman? Es otro paso hacia la comprensión y, en última instancia, el control de estas estructuras.