Dan con un truco inesperado para producir 'materiales indestructibles'

Un equipo de científicos del Laboratorio Nacional Ames y la Universidad A&M de Texas, en EEUU, ha desarrollado un nuevo método basado en la mecánica cuántica para predecir la resistencia a la ruptura de los metales. Este tipo de análisis nos ayudará a crear una nueva generación de materiales resistentes a las altas temperaturas que pueden traernos grandes avances en la industria aeroespacial o la energética, con mejores reactores de fusión o aerogeneradores terrestres más eficientes.

La ductilidad es la capacidad de un material para soportar tensiones físicas sin agrietarse ni romperse. Según Prashant Singh, científico del laboratorio Ames y uno de los autores del estudio publicado en la revista Acta Materialia, hasta ahora no se han encontrado métodos fiables para predecir la ductilidad de los metales antes de probarlos en condiciones reales.

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Además, los actuales tests basados en el ensayo-error son muy poco eficientes, asegura el investigador, y las condiciones extremas a las que hay que someter a los materiales para las pruebas hacen que los experimentos sean caros y requieran mucho tiempo.

Cómo funciona

Singh asegura que la forma tradicional de modelar los átomos para crear un material es usando esferas rígidas que son simétricas. Sin embargo, en los materiales reales, los átomos tienen diferentes tamaños y formas. Cuando se mezclan elementos con átomos de distinto tamaño, estos se tienen que ajustar para encajarse en el espacio fijo en el que están confinados, creando lo que se conoce como distorsión atómica local.

“Los métodos actuales no son muy eficaces a la hora de distinguir entre sistemas dúctiles y frágiles para pequeños cambios de composición. Pero el nuevo enfoque puede captar esos detalles no triviales, porque ahora hemos añadido una característica mecánica cuántica en el enfoque que faltaba", asegura Singh.

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Para conseguirlo, los investigadores han ideado una medida denominada distorsión de red local (LLD). Este método tiene en cuenta lo diferentes que son los elementos de la aleación y en qué medida la presencia de diferentes elementos hace que los átomos de la aleación se alteren.

El equipo ha probado su método en un tipo de materiales llamado aleaciones refractarias multielemento principal (RMPEA), que están compuestas por muchos elementos diferentes. En concreto, usaron un RMPEA, que a veces puede ser dúctil y a veces más frágil y propenso a romperse. Los investigadores descubrieron que cambiando la mezcla de elementos de la aleación podían hacerla más elástica y resistente.

Una nueva generación de materiales

Para asegurar que las propiedades del material resultante coincidían con la predicción, los investigadores testaron el comportamiento de la aleación cuando se le aplicaba presión y se provocaba su rotura. El resultado fue que su método predecía bien el comportamiento de la aleación, aseguran.

Gracias a estas pruebas, el equipo descubrió que "los metales dúctiles predichos sufrían una deformación significativa bajo grandes tensiones, mientras que el metal frágil se agrietaba bajo cargas similares, lo que confirma la solidez del nuevo método mecánico cuántico", afirma Gaoyuan Ouyang, científico del laboratorio Ames que dirigió los experimentos.

Estos experimentos han permitido a los científicos comprender mejor cómo el movimiento de los electrones (o "efectos de transferencia de carga") puede hacer que los átomos de la aleación se desplacen. También han descubierto una conexión entre esta distorsión y la ductilidad final de la aleación.

El nuevo método puede ayudar a los científicos a predecir con más rapidez y precisión la elasticidad de los distintos tipos de aleaciones, basándose únicamente en su composición. Este sistema puede ser útil para crear una nueva generación de materiales que sean resistentes y elásticos a la vez. La posibilidad de crear materiales a medida es clave para construcción de naves espaciales o aviones, donde los materiales deben soportar condiciones y tensiones extremas. Así como nuevos reactores nucleares que aguanten mejor las altas temperaturas o aerogeneradores más duraderos y eficientes.