Una aleación de hierro y oro toma forma
Las aleaciones metálicas nanocristalinas son mucho más duras y resistentes que sus homólogas de mayor tamaño. Los beneficios de estas «nanoaleaciones» se han visto limitados por el hecho de que su estructura nanocristalina se degrada a temperaturas relativamente altas. El proyecto financiado con fondos europeos TheSBIE creó una aleación de hierro y oro que conserva su estructura nanocristalina a temperaturas superiores a 1 000 °C, cerca del punto de fusión del oro.
Los grandes problemas de los cristales diminutos
Los metales formados por granos cristalinos suelen ser inestables a las temperaturas altas empleadas habitualmente en la fabricación y el procesamiento de metales. Los granos cristalinos pueden crecer y fusionarse, lo que favorece que los metales se ablanden, algo nada deseable. «Los granos cristalinos circundantes presentan orientaciones diferentes, lo que facilita la formación de un borde de grano entre ellos. Esta interfaz se desordena espacialmente a temperaturas altas, lo que provoca que aparezcan grandes áreas de estructura comparativamente abierta entre los granos cristalinos», explica Dor Amram, coordinador de TheSBIE. Por lo tanto, los átomos del borde de grano tienen un nivel energético mayor que el habitual e, idealmente, tenderían a comprimirse dentro de los granos cristalinos en lugar de en sus interfaces. Este exceso de energía proviene del cristal que trata de repeler los bordes de grano. El resultado es que los granos tienden a crecer, idealmente hasta el tamaño de un monocristal.
Un método termodinámico innovador para reducir el exceso de energía
Para abordar los problemas principales relacionados con la estabilidad de las aleaciones nanocristalinas a temperaturas altas, los investigadores del proyecto emplearon un método denominado «estabilización termodinámica por ingeniería de interfaz», que se basa en la segregación(se abrirá en una nueva ventana). Amram explica el principio subyacente de este concepto: «La segregación de un soluto en los bordes de grano produce una sección de material con una composición discreta y su propio conjunto de propiedades, que pueden tener un efecto positivo o negativo en las propiedades generales del material. Es más, estas “zonas” con una concentración mayor (o menor) de soluto pueden reducir el exceso de energía de los bordes de grano de modo que el cristal ya no “desee” eliminarlos. La fuerza que impulsa el crecimiento del grano tiende a cero y la aleación nanocristalina es térmicamente estable». «Nuestros resultados ponen en entredicho los conocimientos clásicos de los libros de texto que vinculan la aceleración del crecimiento del grano y la reducción de la fuerza de la aleación nanocristalina con el aumento de las temperaturas. La disminución del tamaño de grano a temperaturas altas abre un mundo de posibilidades para el diseño de materiales, sobre todo para aplicaciones que requieren materiales de alta resistencia a temperaturas altas», añade Amram.
Una alternativa mejor a los métodos de estabilización cinética
El mecanismo que rige la estabilidad térmica de los materiales nanocristalinos no es solo termodinámico, sino también cinético, lo cual no es nada nuevo. La estabilización cinética de nanogranos cristalinos conlleva la dispersión de partículas secundarias de fases diferentes en la aleación. Dichas partículas sirven como «anclas», que postergan o limitan el movimiento del borde de grano. Este método tiene pocos beneficios, ya que no aborda la fuerza motriz del sistema que favorece el crecimiento del borde de grano. «Es como poner palos en las ruedas, ya que el material encontrará finalmente la manera de aumentar el tamaño del borde de grano», comenta Amram. Los resultados del proyecto cuestionan la investigación científica básica sobre los bordes de grano en materiales nanocristalinos. «Los bordes de grano con energía cero (o negativa) es un tema divisivo y controvertido en la comunidad de la ciencia de materiales. El trabajo teórico y las simulaciones pueden contradecir nuestros resultados. Sin embargo, demostramos experimentalmente que este hecho es realmente posible», concluye Amram.
