La cuestión de cómo los metales se deforman o responden a tensiones externas ha sido ampliamente estudiada entre los metalúrgicos durante siglos. Cuando se trata de metales convencionales (del tipo cristalino con átomos que se alinean en patrones claros), el proceso se comprende bastante bien. Pero para la deformación de vidrios metálicos y otros metales amorfos, las respuestas fáciles han sido difíciles de alcanzar, particularmente cuando se trata de cómo funcionan las cosas a nanoescala.

En un nuevo estudio, el profesor Jan Schroers analiza las peculiaridades físicas de cómo se comportan estos metales en tamaños muy pequeños, conocimientos que podrían conducir a nuevas formas de crear vidrios metálicos. Los resultados se publican en Nature Communications. .

Los vidrios metálicos, materiales con la resistencia del metal pero con la flexibilidad del plástico, se están desarrollando para una amplia gama de aplicaciones:aeroespacial, espacial, robótica, electrónica de consumo, artículos deportivos y usos biomédicos.

Estos materiales deben sus propiedades a sus estructuras atómicas únicas:cuando los vidrios metálicos se enfrían de líquido a sólido, sus átomos se asientan en una disposición aleatoria y no cristalizan como lo hacen los metales tradicionales. Pero evitar que los átomos cristalicen es complicado, y cualquier conocimiento sobre su funcionamiento podría contribuir en gran medida a una producción más eficiente de vidrio metálico.

"Para avanzar en la fabricación y el uso de metales amorfos, se requiere una comprensión fundamental y completa de su deformación dependiente del tamaño y la temperatura", escriben los autores del estudio.

En las últimas décadas, ha quedado bien establecido que, a escala macroscópica, los átomos se mueven en masa cuando se deforman a temperaturas que permiten el flujo.

"Se deforman de forma colectiva, casi como la miel", dijo Schroers, profesor Robert Higgin de Ingeniería Mecánica y Ciencia de Materiales. "Ves todos estos átomos moviéndose colectivamente juntos".

Pero, ¿qué sucede cuando las muestras de tamaño nanométrico se deforman? Utilizando muestras de circonio, cobre y otros vidrios metálicos en estado blando, el laboratorio de Schroers decidió averiguarlo.

"Naijia Liu, el estudiante de posgrado de mi laboratorio, creó muestras cada vez más pequeñas y, en algún momento, pudo demostrar que ya no se deforman de esa manera", dijo Schroers. En tamaños de muestra de 100 nanómetros o menos, las cosas comenzaron a desviarse de las reglas estándar.

Lo que descubrieron fue que, a este tamaño, la composición química de las muestras nunca cambiaría si los átomos continuaran moviéndose colectivamente. En cambio, lo que sucedió fue que los átomos se movieron individualmente y, en cierto punto, el metal comenzó a deformarse rápidamente.

"Entonces, si te haces cada vez más pequeño, los átomos ya no fluyen. Lo que hacen es viajar individualmente sobre la superficie".

Esto es importante porque se sabe que los átomos se mueven más rápido en la superficie de los materiales cristalinos. Entonces, cuanto más pequeña es la muestra, mayor proporción del material se encuentra sobre o cerca de una superficie. Para deformarse, los átomos toman una distancia adicional utilizando una trayectoria superficial tan rápida que permite una deformación general más rápida. Es una visión de un área de la física que todavía tiene muchas preguntas sin respuesta.

"Sabemos esencialmente todo sobre los cristales y sabemos esencialmente todo sobre los gases", dijo Schroers. "Pero en la comunidad científica no conocemos bien el estado del líquido. Las cosas se mueven demasiado rápido, por lo que los métodos de observación se ven desafiados y como el orden en un líquido no es periódico, no podemos reducir el problema a una unidad más pequeña. ."

Actualmente, el laboratorio de Schroers se centra en qué aleaciones son más prometedoras para crear vidrios metálicos mediante este método. "La aleación debe contener elementos similares, pero no demasiado similares, ya que de lo contrario la plantilla sobre la que crecen no se puede transformar en vidrio", afirma Schroers.

Además del impacto científico de sus nuevos hallazgos, afirmó Schroers, el estudio tiene importancia a nivel tecnológico. En lugar de la técnica actual de evitar la cristalización mediante un enfriamiento muy rápido, estos hallazgos proporcionan a los investigadores un método novedoso para cultivar lentamente materiales metaestables. Estos materiales incluyen gafas metálicas e incluso otros que antes no eran posibles de realizar con otras técnicas.

Más información: Naijia Liu et al, Comportamiento de deformación dependiente del tamaño en metales amorfos de tamaño nanométrico que sugiere una transición del transporte atómico colectivo al individual, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-41582-2

Proporcionado por la Universidad de Yale