Los científicos han creado mapas 3D de aleaciones de próxima generación.

Las aleaciones de media y alta entropía (M/HEA) son materiales especiales que combinan elementos en cantidades aproximadamente iguales. Sirve como una nueva forma de diseñar materiales en campos como la metalurgia y la catálisis. Se cree que es crucial cambiar la disposición de los átomos en estas aleaciones, pero conocer esta disposición en tres dimensiones es difícil. Los métodos habituales confunden la composición química o muestran imágenes borrosas.

Científicos de la Universidad de California han proporcionado información sin precedentes sobre la estructura y las propiedades de las aleaciones de media y alta entropía. Utilizaron una técnica de imagen avanzada llamada tomografía electrónica atómica para mapear las coordenadas atómicas 3D de los M/HEA. Este estudio representa la primera vez que se observa directamente el sistema nuclear tridimensional.

Las aleaciones de entropía media combinan tres o cuatro metales en cantidades aproximadamente iguales, mientras que las aleaciones de entropía alta combinan cinco o más de manera similar. Esto es diferente de las aleaciones regulares, donde un metal es el metal principal y los demás están en cantidades más pequeñas. Por ejemplo, el acero inoxidable se compone principalmente de hierro.

Ahora piense en un herrero haciendo una espada. Sorprendentemente, las pequeñas imperfecciones del metal lo hacen más resistente. Cuando un herrero calienta una varilla de metal blando hasta que brilla y luego la enfría rápidamente, estas imperfecciones se acumulan y la convierten en una espada formidable. Los científicos están estudiando cómo aplicar esta idea a aleaciones que contienen múltiples metales.

Los científicos se centraron en un tipo de defecto estructural llamado doble límite. Se cree que este defecto es un factor crítico en la combinación única de dureza y ductilidad de las aleaciones de media y alta entropía.

La macla ocurre cuando la tensión hace que parte de la matriz cristalina se doble mientras los átomos circundantes permanecen en su lugar, creando imágenes especulares a ambos lados del límite.

Los científicos fabricaron pequeñas nanopartículas utilizando diferentes metales. Seis nanopartículas eran aleaciones de entropía media que contenían níquel, paladio y platino. Cuatro eran aleaciones de alta entropía con cobalto, níquel, rutenio, rodio, paladio, plata, iridio y platino.

Crear estas aleaciones es como una versión súper rápida del trabajo de un herrero. Fundieron el metal a temperaturas extremadamente altas durante una fracción de segundo y luego lo enfriaron rápidamente. Este rápido proceso condujo a la aparición de límites gemelos en seis de las diez nanopartículas, con un par de gemelos presentes en cuatro de ellas.

Los científicos utilizaron un método de imagen especial que inventaron llamado tomografía electrónica atómica para encontrar estos defectos. Usaron electrones porque los detalles a nivel atómico son mucho más pequeños que las longitudes de onda de la luz visible. Este método implica tomar múltiples imágenes mientras se rota la muestra, lo que permite mapear los datos en 3D.

Sin embargo, adaptar la tomografía electrónica atómica para mapear mezclas complejas de metales ha sido un proceso difícil que requiere modificaciones precisas.

Miu dijo, «Nuestro objetivo es encontrar la verdad en la naturaleza y nuestras mediciones deben ser lo más precisas posible. Trabajamos lentamente, superando el límite para que cada paso del proceso fuera lo más perfecto posible, y luego pasamos al siguiente.

Los científicos han mapeado con precisión cada átomo de las nanopartículas con una entropía promedio. Sin embargo, algunos de los metales de la aleación de alta entropía eran tan similares en tamaño que el microscopio electrónico no podía distinguirlos. Como resultado, el mapa agrupó los átomos en tres categorías.

Descubrieron que cuantos más átomos de diferentes elementos (o diferentes clases de elementos) se mezclaran, más probable era que la estructura de la aleación cambiara de una manera que la hiciera dura y flexible. Este descubrimiento podría resultar útil en el diseño de aleaciones de entropía media y alta con mayor tenacidad. También puede revelar nuevas propiedades que no se encuentran actualmente en materiales como el acero, abriendo posibilidades para diseñar aleaciones con propiedades únicas.

El coautor Peter Ercius, científico de la Fundición Molecular del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, Él dijo, «El problema con el estudio de materiales defectuosos es que hay que observar cada defecto individualmente para ver cómo afecta a los átomos que lo rodean. La tomografía electrónica atómica es la única técnica con la resolución para hacer esto. Es sorprendente que podamos ver materiales atómicos mixtos. arreglos a esta escala dentro de cosas tan pequeñas.

Los científicos están trabajando en una nueva técnica de obtención de imágenes que combina la microscopía electrónica atómica con un método para determinar la composición de una muestra en función de los fotones emitidos. Esta innovación tiene como objetivo distinguir entre metales con átomos de tamaño similar, superando desafíos anteriores.

Además, los científicos están explorando formas de analizar grandes cantidades de aleaciones de entropía media y alta, buscando descubrir conexiones fundamentales entre sus estructuras y propiedades. Estos desarrollos pueden mejorar enormemente nuestra comprensión de estas aleaciones y abrir puertas a nuevas posibilidades en la ciencia de los materiales.

Referencia de la revista:

1. Munnery, S., Yang, Y., Ding, J. et al. Estructura atómica tridimensional y disposición química local de nanoaleaciones de media y alta entropía. Naturaleza 624, 564-569 (2023). Identificación digital: 10.1038/s41586-023-06785-z