MADRID, 3 Oct. (EUROPA PRESS) -
Científicos de la Universidad de Vermont han producido plata que rompe un límite teórico de décadas, anunciando una nueva clase de materiales súper fuertes y conductores.
"Hemos descubierto un nuevo mecanismo en funcionamiento a escala nanométrica que nos permite fabricar metales que son mucho más fuertes que cualquier cosa que se haya fabricado antes, sin perder conductividad eléctrica", dice Frederic Sansoz, científico de materiales y profesor de ingeniería mecánica en el Universidad de Vermont que codirigió el nuevo descubrimiento.
Este avance fundamental promete una nueva categoría de materiales que puede superar una compensación tradicional en materiales industriales y comerciales entre resistencia y capacidad de transportar corriente eléctrica.
Los resultados del equipo se publicaron el 23 de septiembre en la revista Nature Materials.
Todos los metales tienen defectos. A menudo, estos defectos conducen a cualidades indeseables, como fragilidad o ablandamiento. Esto ha llevado a los científicos a crear varias aleaciones o mezclas pesadas de material para hacerlas más fuertes. Pero a medida que se fortalecen, pierden conductividad eléctrica.
"Nos preguntamos, ¿cómo podemos hacer un material con defectos pero superar el ablandamiento mientras conservamos la electroconductividad", dijo en un comunicado Morris Wang, científico principal del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore y coautor del nuevo estudio.
Al mezclar una pequeña cantidad de cobre en la plata, el equipo demostró que puede transformar dos tipos de defectos inherentes a nanoescala en una poderosa estructura interna. "Eso se debe a que las impurezas se sienten directamente atraídas por estos defectos", explica Sansoz. En otras palabras, el equipo usó una impureza de cobre, una forma de dopaje o "microaleación", como la denominan los científicos, para controlar el comportamiento de los defectos en la plata.
Como una especie de jiu-jitsu a escala atómica, los científicos volcaron los defectos para su ventaja, usándolos para fortalecer el metal y mantener su conductividad eléctrica.
Para hacer su descubrimiento, el comenzó con una idea fundamental de la ingeniería de materiales: como el tamaño de un cristal o grano de material se hace más pequeño, se vuelve más fuerte. Los científicos llaman a esto la relación Hall-Petch.
Este principio general de diseño ha permitido a científicos e ingenieros construir aleaciones más fuertes y cerámicas avanzadas durante más de 70 años. Eventualmente, cuando los granos de metal alcanzan un tamaño infinitamente pequeño, de menos de decenas de nanómetros de ancho, los límites entre los granos se vuelven inestables y comienzan a moverse.
Por lo tanto, otro enfoque conocido para fortalecer metales como la plata utiliza "límites gemelos coherentes" a nanoescala, que son un tipo especial de límite de grano. Estas estructuras de átomos emparejados, formando una interfaz cristalina simétrica similar a un espejo, son extremadamente fuertes a la deformación. Excepto que estos límites gemelos también se suavizan cuando su espacio intermedio cae por debajo de un tamaño crítico de unos pocos nanómetros, debido a imperfecciones.
Hablando en términos generales, los nanocristales son como parches de tela y los 'nanotwins' son como hilos fuertes pero pequeños en la tela. Excepto que están en la escala atómica. La nueva investigación combina ambos enfoques para hacer lo que los científicos llaman un "metal nanocristalino-nanocombinado", que tiene "propiedades mecánicas y físicas sin precedentes", escribe el equipo.
Esto se debe a que los átomos de cobre, ligeramente más pequeños que los átomos de plata, se mueven hacia defectos tanto en los límites del grano como en los límites gemelos. Esto permitió al equipo, utilizando simulaciones por computadora de átomos como punto de partida y luego pasar a metales reales con instrumentos avanzados, para crear la nueva forma de plata súper fuerte. Las pequeñas impurezas de cobre dentro de la plata inhiben el movimiento de los defectos, pero son una cantidad tan pequeña de metal, menos del uno por ciento del total, que se retiene la rica conductividad eléctrica de la plata. "Las impurezas de los átomos de cobre van a lo largo de cada interfaz y no en el medio", explica Sansoz. "Para que no interrumpan los electrones que se propagan a través".
Este metal no solo supera el ablandamiento previamente observado a medida que los granos y los límites gemelos se vuelven demasiado pequeños (el llamado "desglose de Hall-Petch"), incluso supera el límite teórico de Hall-Petch. El equipo informa que se puede encontrar una "resistencia máxima ideal" en metales con límites gemelos que están separados por menos de siete nanómetros, solo unos pocos átomos. Y una versión con tratamiento térmico de la plata con cordones de cobre del equipo tiene una medida de dureza superior a lo que se pensaba que era el máximo teórico.
"Hemos batido el récord mundial y el límite de Hall-Petch también, no solo una vez, sino varias veces en el transcurso de este estudio, con experimentos muy controlados", dice Sansoz.