Ver elementos ligeros en un límite de grano:revelar las propiedades de los materiales hasta la escala atómica

Imagen de microscopía electrónica de transmisión que resuelve incluso átomos ligeros (aquí:boro y carbono) como átomos intersticiales en el centro del motivo atómico. Crédito:Sociedad Max Planck

Para desarrollar materiales avanzados, es necesario un conocimiento profundo de su microestructura y química subyacentes. Saber cómo los defectos influyen en la interacción entre la microestructura y la composición química es crucial, ya que son la puerta de entrada para el fallo del material debido a la corrosión o la iniciación de grietas.

Científicos del Max-Planck-Institut für Eisenforschung (MPIE) han desarrollado un flujo de trabajo y un código para analizar e interpretar defectos bidimensionales, conocidos como límites de grano, en aceros. Identificaron que ciertos motivos atómicos ordenados, el nivel jerárquico estructural más pequeño de los materiales, gobiernan las propiedades químicas más importantes de los límites de los granos. La ingeniería de esos motivos atómicos allana el camino hacia materiales más duraderos y hechos a medida. Los investigadores del MPIE publicaron sus resultados en Nature Communications .

Los motivos atómicos gobiernan las propiedades químicas de los límites de los granos

"Los dos desafíos principales al analizar los límites de los granos hasta su escala atómica son, en primer lugar, la enorme cantidad de parámetros que deben controlarse para comprender el efecto de cada parámetro en las propiedades del material. Y en segundo lugar, la dificultad para observar elementos ligeros con microscopía electrónica de transmisión", explica el Dr. Xuyang Zhou, primer autor de la publicación y jefe adjunto del grupo de Tomografía con sonda atómica del MPIE.

"Desarrollamos un flujo de trabajo y un código para microscopía electrónica de transmisión que implica el cultivo de bicristales de una aleación de hierro, boro y carbono con la misma orientación cristalina pero cambiando los planos de los límites de grano. De esta manera, pudimos controlar los parámetros que interfieren. Para interpretar los datos , desarrollé un código que ayuda a ver elementos ligeros como el boro y el carbono en los límites de los granos de hierro. De hecho, es la primera vez que hemos podido observar elementos ligeros en los límites de los granos de metales pesados, como el hierro".

Los investigadores demostraron que incluso la mera inclinación en el plano límite de grano con idéntica desorientación afecta la composición química y la disposición atómica de la microestructura y hace que el material sea más o menos propenso a fallar.

"Hasta ahora no era posible representar los elementos ligeros y pesados en los motivos atómicos de los límites de grano del acero. Especialmente los espacios abiertos en las estructuras atómicas ordenadas, los llamados sitios intersticiales, determinan la solubilidad de los elementos ligeros en un límite de grano. Esto permitirá en el futuro diseñar y pasivar específicamente el estado químico de los límites de grano para liberarlos de su papel de puerta de entrada a la corrosión, la fragilización por hidrógeno o fallos mecánicos", explica el profesor Gerhard Dehm, coautor de la publicación y director del departamento de Estructura y Nano/Micromecánica de Materiales del MPIE.

Los científicos también utilizaron el aprendizaje automático para analizar la composición de los límites de grano en los datos obtenidos mediante tomografía con sonda atómica. La tomografía muestra cómo se distribuyen los diferentes elementos en el límite de grano, ofreciendo la posibilidad de generar análisis estadísticos de la correlación estructura-composición.