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May 25, 2023

Cuando los materiales se vuelven difíciles, los científicos se ponen a medir

Resistente bajo estrés: esa es una característica útil tanto en las personas en las que confía como en los materiales en los que confía. Quiere que estructuras como puentes o materiales en planos sean fuertes e improbables.

Resistente bajo estrés: esa es una característica útil tanto en las personas en las que confía como en los materiales en los que confía. Quiere que estructuras como puentes o materiales en planos sean fuertes y con poca probabilidad de agrietarse.

Los científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y del Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía midieron el material más resistente jamás registrado: una aleación metálica de cromo, cobalto y níquel. En la medida que utilizan los científicos para medir la tenacidad, las estructuras utilizadas en los aviones son 35 y los mejores aceros rondan los 100. ¡En cambio, este material era 500! El material también se vuelve más duro a medida que hace más frío, lo cual es muy inusual.

La tenacidad de los materiales es una combinación de un material fuerte y dúctil, y la capacidad de doblarse o estirarse en respuesta al estrés. En casi todos los materiales, la resistencia y la ductilidad son un equilibrio. Si tienes más de uno, tienes menos del otro. Eso es porque los metales son cristales. Están formados por unidades individuales que se repiten una y otra vez. Estas unidades forman una red 3D, como un cubo de Rubik. Las propiedades de resistencia y ductilidad dependen de las propiedades de la red.

Pero siempre hay lugares pequeños donde las unidades individuales no son exactamente iguales. Los físicos llaman a estas imperfecciones defectos. A menudo se encuentran en los límites donde se encuentran las unidades. Un tipo común de defecto se llama dislocación. Es donde la parte imperfecta del entramado se encuentra con una parte perfecta. Cuando aplicas fuerza a un material, las dislocaciones se mueven y el material se dobla. Cuanto más fácil sea el movimiento de las dislocaciones, más dúctil será el material. En cambio, un material es fuerte cuando existen bloqueos que impiden que esas dislocaciones se muevan. Necesitas más fuerza para doblarlo. Sin embargo, eso también lo hace más frágil y propenso a agrietarse.

Esta aleación es inusual porque en lugar de que la resistencia y la ductilidad sean compensaciones, tiene ambas en abundancia. Parte de su singularidad proviene del hecho de que es una aleación de alta entropía. Las aleaciones son mezclas de metales. Tienen propiedades de los diferentes elementos de la mezcla. La mayoría de las aleaciones son principalmente un elemento al que se agrega una pequeña cantidad de otro. Pero las aleaciones de alta entropía tienen una mezcla igual de cada elemento. Eso les confiere una resistencia y ductilidad muy altas bajo tensión. Incluso dentro de este grupo, esta aleación particular es distinta. Tiene tres obstáculos de dislocación diferentes que le confieren una combinación única de propiedades.

Si bien los científicos de materiales desarrollaron aleaciones de alta entropía hace 20 años, sólo recientemente hemos tenido la tecnología para probar exactamente qué tan buenas son. Hace casi una década, los científicos del Laboratorio Berkeley bajaron este material a -321 F. Si bien querían probarlo a temperaturas más bajas, la tecnología simplemente no estaba disponible. El año pasado, el equipo lo probó a la temperatura del helio líquido: ¡eso es -424 F! Además, la nueva tecnología microscópica les permitió examinar los diferentes cristales y los defectos hasta el ancho de unos pocos átomos.

Este material no se utilizará en aplicaciones en el corto plazo. Se necesita mucho tiempo para refinar y probar los materiales antes de usarlos en aviones o puentes. Pero medir y comprender este material nos acerca a su uso, especialmente en entornos extremos como el espacio profundo. Además, ayuda a los científicos a comprender cómo podrían fabricar materiales con propiedades similares a partir de elementos más abundantes y baratos.