Los límites de grano son uno de los defectos más prominentes en los materiales de ingeniería que separan diferentes cristalitos, que determinan su fuerza, Resistencia a la corrosión y fallas. Típicamente, estas interfaces se consideran defectos cuasi bidimensionales y el control de sus propiedades sigue siendo una de las tareas más desafiantes en la ingeniería de materiales. Sin embargo, Hace más de 50 años, el concepto de que los límites de los granos pueden sufrir transformaciones de fase se estableció mediante conceptos termodinámicos, pero no han sido considerados, ya que no pudieron ser observados. Dr. Christian Liebscher, jefe del grupo "Microscopía electrónica de transmisión avanzada" y miembros de su equipo en el Max-Planck-Institut für Eisenforschung (MPIE), ahora encontró una manera de observar directamente las transiciones de los límites de grano de manera experimental. Con colegas del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL), NOSOTROS., que modeló las transformaciones de los límites de grano, los investigadores publicaron sus hallazgos recientes en Naturaleza .

Sus resultados son sorprendentes:"La búsqueda de transformaciones congruentes tiene todos los aspectos de una búsqueda de una aguja en un pajar dimensional 6 + C, "dice John W. Cahn, científico de materiales y experto en termodinámica. El equipo incluso encontró dos de estas "agujas". La clave fue utilizar los microscopios de resolución atómica en el MPIE para visualizar directamente las interfaces de transformación.

"No esperábamos ver transformaciones en la fase de los límites de los granos, pero nuestros resultados muestran claramente que dos motivos de los límites de los granos coexisten con diferentes arreglos atómicos. Sin embargo, la orientación del plano límite de grano, la desorientación de los cristales y la composición química no cambian. A través de estas observaciones, tenemos que repensar cómo se comportan las interfaces al exponer un material a temperatura y / o estrés, "explica Liebscher.

Él y sus colegas analizaron películas delgadas de cobre puro, particularmente mediante microscopía electrónica de transmisión de resolución atómica. De esta manera, desbloquearon las fases de los límites de los granos y probaron su coexistencia con precisión atómica. Las fases se pueden describir atomísticamente como motivos con estructura en forma de perla y dominó (ver Fig. 1). Dr. Timofey Frolov y Dr. Robert Rudd, del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore, modeló las fases del límite de grano. Utilizaron un algoritmo de búsqueda de estructura de límites de grano novedoso, que es capaz de encontrar las estructuras observadas experimentalmente. Es más, sus simulaciones de dinámica molecular de temperatura finita exploran la cinética de transformación. Las estructuras predichas no solo se asemejan perfectamente a las observaciones experimentales, pero demuestre que las fases limítrofes del grano pueden transformarse entre sí cambiando la temperatura o la tensión. Adicionalmente, las simulaciones indican que la unión de fase del límite de grano, un nuevo defecto de línea que no se ha considerado previamente, es el control de la tasa.

"Mediante el modelado, descubrimos que la velocidad de la transformación depende en gran medida de la migración de la unión de fase. En caso de un defecto breve, solo se necesitan unas pocas decenas de nanosegundos para completar la transformación de la estructura dominó a la estructura perlada. Mientras que no hay transformación se observa cuando la longitud del defecto supera unos pocos nanómetros y se produce por debajo de 500 K, "explica el Dr. Thorsten Meiners, primer autor de la publicación y ex investigador doctoral del MPIE. Es más, las fases limítrofes de grano se caracterizan por diferentes propiedades, que determinan cómo se mueven las fases de la interfaz, cómo absorben los elementos de impureza o cómo se deforman mecánicamente.

"Por eso, comprender cómo se transforman los límites de grano proporciona una nueva visión de los fenómenos materiales aún inexplicables, como crecimiento anormal de granos, y allana nuevas formas de considerar las transiciones de interfaz como un elemento de diseño de materiales, "afirma el profesor Gerhard Dehm, director del MPIE. Los diferentes estados de los límites o interfaces de los granos pueden tener un fuerte impacto en el comportamiento de corrosión de los materiales, cómo se comportan en condiciones catalíticas o incluso juegan un papel importante en la falla de los dispositivos microelectrónicos. Los científicos pretenden ampliar las observaciones actuales a experimentos realizados a diferentes temperaturas, bajo estrés y en presencia de impurezas. El objetivo es establecer una comprensión completa de estas transformaciones de fase, pudiendo así diseñar las propiedades del material recurriendo a una ingeniería holística de límites de grano.