Esta aleación es el material más resistente conocido en la Tierra, y se vuelve más resistente con el frío: ScienceAlert
Una aleación de cromo, cobalto y níquel acaba de darnos la mayor tenacidad a la fractura jamás medida en un material en la Tierra.
Tiene una resistencia y ductilidad excepcionalmente altas, lo que lleva a lo que un equipo de científicos denominó «tolerancia al daño excepcional».
Además, y de manera contraria a la intuición, estas propiedades aumentan a medida que el material se enfría, lo que sugiere un potencial emocionante para aplicaciones en entornos criogénicos extremos.
“Cuando diseña materiales estructurales, quiere que sean fuertes pero también dúctiles y resistentes a la rotura”, dice el metalúrgico Easo GeorgePresidente del Gobernador de Teoría y Desarrollo de Aleaciones Avanzadas en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge y la Universidad de Tennessee.
«Por lo general, es un compromiso entre estas propiedades. Pero este material es ambos, y en lugar de volverse quebradizo a bajas temperaturas, se vuelve más duro».
La resistencia, la ductilidad y la tenacidad son tres propiedades que determinan la durabilidad de un material. La fuerza describe la resistencia a la deformación. Y la ductilidad describe la maleabilidad de un material. Estas dos propiedades contribuyen a su tenacidad general: resistencia a la rotura. La tenacidad a la fractura es la resistencia a una mayor fractura en un material ya fracturado.
George y su compañero autor principal, el ingeniero mecánico Robert Richie del Laboratorio Nacional de Berkeley y la Universidad de California, Berkeley, dedicaron tiempo a trabajar en una clase de materiales llamados aleaciones de alta entropía o HEA. La mayoría de las aleaciones están dominadas por un elemento, con pequeñas proporciones de otros mezclados. Los HEA contienen elementos mezclados en proporciones iguales.
Una de estas aleaciones, CrMnFeCoNi (cromo, manganeso, hierro, cobalto y níquel), ha sido objeto de amplios estudios después de los científicos han notado que su resistencia y ductilidad aumentan a la temperatura del nitrógeno líquido sin comprometer la tenacidad.
Un derivado de esta aleación, CrCoNi (cromo, cobalto y níquel), muestra propiedades aún más excepcionales. Así que George, Ritchie y su equipo se rompieron los dedos y se dispusieron a llevarlo al límite.
Los experimentos anteriores con CrMnFeCoNi y CrCoNi se habían realizado a temperaturas de nitrógeno líquido, hasta 77 Kelvin (-196ºC-321°F). El equipo lo llevó aún más lejos, a temperaturas de helio líquido.
Los resultados fueron más que sorprendentes.
«La dureza de este material a temperaturas cercanas al helio líquido (20 Kelvin, [-253°C, -424°F]) es tan alto como 500 metros de raíz cuadrada megapascales», Ritchie explica.
«En las mismas unidades, la dureza de una pieza de silicio es uno, la estructura de aluminio de un avión de pasajeros es de alrededor de 35, y la dureza de algunos de los mejores aceros es de alrededor de 100. Así que 500 es un número asombroso».
Para comprender cómo funciona, el equipo utilizó la difracción de neutrones, la difracción de retrodispersión de electrones y la microscopía electrónica de transmisión para estudiar el CrCoNi hasta el nivel atómico cuando se fractura a temperatura ambiente y frío extremo.
Esto implicó romper el material y medir la tensión necesaria para hacer crecer la fractura, y luego examinar la estructura cristalina de las muestras.
Los átomos en los metales están dispuestos en un patrón repetitivo en el espacio tridimensional. Este patrón se conoce como la red cristalina. Los componentes repetitivos de la red se denominan celdas unitarias.
A veces se crean límites entre las celdas unitarias que están distorsionadas y las que no lo están. Estos límites se denominan dislocaciones y, cuando se aplica una fuerza al metal, se mueven y permiten que el metal cambie de forma. Cuantas más dislocaciones tiene un metal, más maleable es.
Las irregularidades en el metal pueden evitar que se muevan las dislocaciones; esto es lo que hace que un material sea fuerte. Pero si las dislocaciones se atascan, en lugar de deformarse, un material puede agrietarse, por lo que una alta resistencia a menudo puede significar una alta fragilidad. En CrCoNi, los investigadores identificaron una secuencia particular de tres bloques de dislocación.
El primero que ocurre es el deslizamiento, que es cuando las partes paralelas de la red cristalina se alejan unas de otras. Esto hace que las celdas unitarias ya no correspondan perpendicularmente a la dirección de deslizamiento.
La fuerza continua produce nanohermanamiento, donde las redes cristalinas forman una disposición especular a cada lado de un límite. Si se aplica aún más fuerza, esta energía sirve para reorganizar la forma de las celdas unitarias de una red cristalina cúbica a una red hexagonal.
«Al tirar de él, arranca el primer mecanismo, luego arranca el segundo, luego arranca el tercero, luego el cuarto», Ritchie dice.
«Ahora mucha gente dirá, bueno, hemos visto nanohermanamiento en materiales ordinarios, hemos visto deslizamiento en materiales ordinarios. Así es. No hay nada nuevo en eso, pero es el hecho de que todos suceden en este mágico secuencia que nos da estas propiedades realmente geniales».
Los investigadores también probaron CrMnFeCoNi a temperaturas de helio líquido, pero no funcionó tan bien como su derivado más simple.
El siguiente paso será estudiar las posibles aplicaciones de dicho material, así como encontrar otros HEA con propiedades similares.
La investigación ha sido publicada en La ciencia.
