Las aleaciones de media y alta entropía (M/HEA) son materiales especiales que combinan elementos en cantidades casi iguales. Son como una nueva forma de diseñar materiales en áreas como la metalurgia y la catálisis. Se cree que es crucial cambiar la forma en que están dispuestos los átomos en estas aleaciones, pero es difícil descifrar esta disposición en tres dimensiones. Los métodos habituales mezclan la composición química o muestran imágenes poco claras.
Los científicos de la UCLA han proporcionado información sin precedentes sobre la estructura y las características de las aleaciones de entropía media y alta. Utilizaron una técnica de imagen avanzada llamada tomografía electrónica atómica para mapear las coordenadas atómicas tridimensionales de los M/HEA. Este estudio representa la primera vez que se observa directamente su orden nuclear 3D.
Las aleaciones de entropía media mezclan tres o cuatro metales en cantidades casi iguales, mientras que las aleaciones de entropía alta combinan cinco o más de manera similar. Esto es diferente a las aleaciones normales, donde un metal es el principal y otros se encuentran en cantidades menores. Por ejemplo, el acero inoxidable es principalmente hierro.
Ahora piense en un herrero haciendo una espada. Sorprendentemente, los pequeños defectos del metal lo hacen más resistente. Cuando un herrero calienta una barra de metal blando hasta que brilla y luego la enfría rápidamente, estos defectos se acumulan y la transforman en una espada formidable. Los científicos están estudiando cómo se aplica esta idea a las aleaciones con múltiples metales.
Los científicos se han centrado 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 flexibilidad de las aleaciones de media y alta entropía.
La macla ocurre cuando la tensión hace que parte de una matriz cristalina se doble mientras los átomos circundantes permanecen en su lugar, creando imágenes especulares a ambos lados del límite.
Los científicos han creado pequeñas nanopartículas utilizando varios metales. Seis nanopartículas eran aleaciones de entropía media con 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 indujo límites gemelos en seis de las diez nanopartículas, y cuatro de ellas tenían un par de gemelos.
Los científicos utilizaron un método de imágenes especial que crearon 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 capturar múltiples imágenes a medida que se gira la muestra, lo que permite mapear los datos en 3D.
Sin embargo, adaptar la tomografía electrónica atómica para mapear las intrincadas mezclas de metales fue un proceso desafiante que requirió ajustes cuidadosos.
Miao dijo: “Nuestro objetivo es encontrar la verdad en la naturaleza y nuestras mediciones deben ser lo más precisas posible. Trabajamos lentamente, superando los límites para que cada paso del proceso sea lo más fluido posible y luego pasamos al siguiente paso”.
Los científicos mapearon cuidadosamente cada átomo de las nanopartículas de la aleación de entropía media. Sin embargo, algunos metales de la aleación de alta entropía eran demasiado similares en tamaño para que la microscopía electrónica pudiera distinguirlos. Como resultado, el mapa agrupó los átomos en tres categorías.
Descubrieron que cuantos más átomos de diferentes elementos (o diferentes categorías de elementos) se mezclaran, más probable era que la estructura de la aleación cambiara de una manera que la hiciera rígida y flexible. Este descubrimiento podría ser útil en el diseño de aleaciones de media y alta entropía con mayor durabilidad. También podría revelar nuevas propiedades que no se ven actualmente en materiales como el acero, abriendo posibilidades para diseñar aleaciones con características únicas.
El coautor Peter Ercius, científico del personal de fundición molecular del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, él dijo, “El problema de estudiar materiales defectuosos es que hay que observar cada defecto por separado para saber cómo afecta a los átomos circundantes. La tomografía electrónica atómica es la única técnica con resolución para hacerlo. Es sencillamente increíble que podamos ver disposiciones atómicas desordenadas a esta escala dentro de objetos tan pequeños”.
Los científicos están trabajando en una nueva técnica de obtención de imágenes que combina la microscopía electrónica atómica con un método para identificar la composición de una muestra basándose en los fotones emitidos. Esta innovación tiene como objetivo diferenciar metales con átomos de tamaño similar, superando desafíos anteriores.
Además, los científicos están explorando métodos para analizar grandes cantidades de aleaciones de entropía media y alta, buscando descubrir las conexiones fundamentales entre sus estructuras y propiedades. Estos avances podrían mejorar significativamente nuestra comprensión de estas aleaciones y abrir puertas a nuevas posibilidades en la ciencia de los materiales.
Referencia de la revista:
- Moniri, S., Yang, Y., Ding, J. et al. Estructura atómica tridimensional y orden químico local de nanoaleaciones de media y alta entropía. Naturaleza 624, 564–569 (2023). DUELE: 10.1038/s41586-023-06785-z
