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Las imágenes de nivel atómico pueden habilitar metales con propiedades sin precedentes

New Alloy Contains Large Palladium Clusters

Nueva aleación contiene grandes grupos de paladio

Esta ilustración esquemática de la nueva aleación de alta entropía que contiene paladio muestra cómo la nueva aleación contiene grandes grupos de paladio (átomos azules). Crédito: Instituto de Tecnología de Georgia.

Las aleaciones de alta entropía, que están hechas de partes casi iguales de varios metales primarios, podrían tener un gran potencial para crear materiales con propiedades mecánicas superiores.

Pero con un número prácticamente ilimitado de combinaciones posibles, un desafío para los metalúrgicos es descubrir dónde enfocar sus esfuerzos de investigación en un vasto e inexplorado mundo de mezclas metálicas.

Un equipo de investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia ha desarrollado un nuevo proceso que podría ayudar a guiar dichos esfuerzos. Su enfoque consiste en construir un mapa químico de resolución atómica para ayudar a obtener nuevos conocimientos sobre aleaciones individuales de alta entropía y ayudar a caracterizar sus propiedades.

En un estudio publicado el 9 de octubre de 2019, en la revista Naturaleza, los investigadores describieron el uso de espectroscopía de rayos X de energía dispersiva para crear mapas de metales individuales en dos aleaciones de alta entropía. Esta técnica de espectroscopia, utilizada junto con la microscopía electrónica de transmisión, detecta los rayos X emitidos por una muestra durante el bombardeo de un haz de electrones para caracterizar la composición elemental de una muestra analizada. Los mapas muestran cómo los átomos individuales se organizan dentro de aleación, lo que permite a los investigadores buscar patrones que puedan ayudarlos a diseñar aleaciones que enfaticen las propiedades individuales.

Por ejemplo, los mapas podrían dar pistas a los investigadores para comprender por qué sustituir un metal por otro podría hacer que una aleación sea más fuerte o más débil, o por qué un metal supera a otros en entornos extremadamente fríos.

Ting Zhu, Georgia Tech

Ting Zhu, profesor de la Escuela de Ingeniería Mecánica George W. Woodruff de Georgia Tech, ha ayudado a desarrollar un nuevo proceso para obtener información sobre aleaciones individuales de alta entropía y ayudar a caracterizar sus propiedades. Crédito: Rob Felt

"La mayoría de las aleaciones utilizadas en aplicaciones de ingeniería tienen solo un metal primario, como hierro en acero o níquel en superaleaciones a base de níquel, con cantidades relativamente pequeñas de otros metales", dijo Ting Zhu, profesor de la Escuela George W. Woodruff de Ingeniería Mecánica en Georgia Tech. “Estas nuevas aleaciones que tienen concentraciones relativamente altas de cinco o más metales abren la posibilidad de aleaciones no convencionales que pueden tener propiedades sin precedentes. Pero este es un nuevo espacio compositivo que no ha sido explorado, y todavía tenemos una comprensión muy limitada de esta clase de materiales ".

El nombre "alta entropía" se refiere a la falta de uniformidad en la mezcla de metales, así como a la cantidad de formas diferentes y algo aleatorias que los átomos de los metales pueden organizarse a medida que se combinan.

Los nuevos mapas podrían ayudar a los investigadores a determinar si hay estructuras atómicas no convencionales que tales aleaciones toman que podrían aprovecharse para aplicaciones de ingeniería, y cuánto control podrían tener los investigadores sobre las mezclas para "ajustarlas" para rasgos específicos, dijo Zhu.

Para probar el nuevo enfoque de imágenes, el equipo de investigación comparó dos aleaciones de alta entropía que contienen cinco metales. Uno era una mezcla de cromo, hierro, cobalto, níquel y manganeso, una combinación comúnmente conocida como aleación "Cantor". El otro era paladio similar pero sustituido por el manganeso. Esa sustitución resultó en un comportamiento muy diferente en la forma en que los átomos se organizaron en la mezcla.

"En la aleación de Cantor, la distribución de los cinco elementos es consistentemente aleatoria", dijo Zhu. "Pero con la nueva aleación que contiene paladio, los elementos muestran agregaciones significativas debido al tamaño atómico muy diferente de los átomos de paladio, así como a su diferencia en la electronegatividad en comparación con los otros elementos".

En la nueva aleación con paladio, el mapeo mostró que el paladio tendía a formar grandes grupos mientras que el cobalto parecía acumularse en lugares donde el hierro estaba en bajas concentraciones.

Esas agregaciones, con sus tamaños y espacios en el rango de unos pocos nanómetros, proporcionan una fuerte resistencia a la deformación y podrían explicar las diferencias en las propiedades mecánicas de una aleación de alta entropía a otra. En las pruebas de deformación, la aleación con paladio mostró un mayor límite elástico mientras mantenía un endurecimiento por deformación similar y una ductilidad a la tracción como la aleación Cantor.

"La modulación a escala atómica de la distribución de elementos produce la fluctuación de la resistencia de la red, que sintoniza fuertemente los comportamientos de dislocación", dijo Qian Yu, coautor del artículo y profesor de la Universidad de Zhejiang. “Dicha modulación ocurre a una escala que es más fina que el endurecimiento por precipitación y es más grande que la del fortalecimiento tradicional de soluciones sólidas. Y proporciona una comprensión del carácter intrínseco de las aleaciones de alta entropía ".

Los hallazgos podrían permitir a los investigadores diseñar aleaciones personalizadas en el futuro, aprovechando una propiedad u otra.

"Creemos que este trabajo es realmente importante, ya que el pedido de químicos locales en estas aleaciones de alto perfil y alta entropía es fundamental para dictar sus propiedades", dijo Robert Ritchie, otro coautor y profesor de la Universidad de California, Berkeley. "De hecho, esto presenta una forma de adaptar estos materiales para lograr propiedades óptimas mediante el diseño atómico".

El equipo también incluyó investigadores de la Universidad de Tennessee, Knoxville; Universidad Tsinghua; y la Academia China de Ciencias.

Esta investigación fue apoyada por la National Science Foundation a través de la subvención No. DMR-1810720, el Departamento de Energía a través del contrato No. DE-AC02-05CH11231, la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China a través de la subvención No. B16042, y el Programa Estatal para Investigación básica en China bajo la subvención No. 2015CB659300. El contenido refleja los puntos de vista de los autores y no necesariamente representa los puntos de vista oficiales de las agencias patrocinadoras.

Referencia: “Distribución, estructura y propiedades de elementos de sintonización por composición en aleaciones de alta entropía” por Qingqing Ding, Yin Zhang, Xiao Chen, Xiaoqian Fu, Dengke Chen, Sijing Chen, Lin Gu, Fei Wei, Hongbin Bei, Yanfei Gao, Minru Wen, Jixue Li, Ze Zhang, Ting Zhu, Robert Ritchie y Qian Yu, 9 de octubre de 2019, Naturaleza.DOI: 10.1038 / s41586-019-1617-1