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(noticias nanowerk) A menudo se considera que los materiales son monofásicos, pero muchos materiales de ingeniería contienen dos o más fases, lo que mejora sus propiedades y rendimiento. Estos materiales de dos fases tienen inclusiones, llamadas precipitados, incrustadas en la microestructura. Las aleaciones, una combinación de dos o más tipos de metales, se utilizan en muchas aplicaciones, como turbinas para motores a reacción y aleaciones ligeras para aplicaciones automotrices, porque tienen muy buenas propiedades mecánicas debido a estos precipitados incrustados. Sin embargo, el tamaño promedio del precipitado tiende a aumentar con el tiempo (un proceso llamado engrosamiento) que conduce a una degradación en el rendimiento de las microestructuras del precipitado a nanoescala.
Investigadores de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign han identificado una forma novedosa de estabilizar los precipitados a nanoescala en aleaciones. En un nuevo estudio, el profesor de ciencia e ingeniería de materiales Pascal Bellon, el investigador postdoctoral Gabriel Bouobda Moladje y sus colaboradores muestran que es posible utilizar procesos de desequilibrio para detener el engrosamiento de los precipitados, lo que da como resultado nanoestructuras estables.
Los resultados de esta investigación fueron publicados recientemente en Cartas de examen físico (“Patrones de composición inducidos por convección en los límites de grano en aleaciones irradiadas”).
![Imágenes de simulación de precipitados en los límites de los granos.](https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/id63674_1.jpg)
«Durante las últimas dos décadas, los investigadores se han dado cuenta de que las inclusiones a nanoescala en la estructura pueden ser muy beneficiosas para el material», dice Bellon. «El desafío es que estas pequeñas partículas quieren crecer espontáneamente».
Piense en ello como si fuera a hacer pasta: cuando se agrega aceite al agua hirviendo, las gotas de aceite pueden ser pequeñas cuando se agregan y revuelven por primera vez, pero cuando se deja de revolver, las gotas se combinan para formar gotas más grandes. Este es el proceso de engrosamiento. «Si nos interesa la distribución de objetos de pequeña escala, debemos contrarrestar esta tendencia natural al engrosamiento», explica Bellon.
El equipo utilizó modelos informáticos para estudiar los precipitados que se forman en los dominios entre diferentes cristales del material, llamados límites de grano, cuando se exponen a la irradiación, una fuerza de desequilibrio. En un entorno de equilibrio, las fuerzas están equilibradas y no hay ningún cambio neto en el material. Sin embargo, en la mayoría de las aplicaciones, los materiales duros están sujetos a fuerzas desequilibradas, como la irradiación o incluso la agitación. Por lo tanto, es importante comprender cómo evoluciona la precipitación en entornos de desequilibrio.
«Estábamos especialmente interesados en las aleaciones que están expuestas a la irradiación con partículas de alta energía», afirma Bellon. “Esta es una situación que ocurre, por ejemplo, con los materiales utilizados para aplicaciones nucleares. Esto también se aplica a los materiales utilizados en el espacio donde están expuestos a la radiación cósmica. Lo que estábamos analizando específicamente era un modelo de aleación hecho de aluminio y antimonio”.
En las aleaciones de aluminio y antimonio, el antimonio tiende a formar precipitados, del mismo modo que el petróleo quiere formar gotas en el agua. Los investigadores descubrieron que, tras la irradiación, se formarían precipitados en los límites de los granos, como se esperaba. Pero también descubrieron que los precipitados no se volvieron más gruesos y continuaron creciendo, sino que alcanzaron un cierto tamaño y luego se detuvieron. Esto se denomina comportamiento de engrosamiento suspendido y fue un resultado inesperado.
Este enfoque podría aplicarse a otros sistemas materiales donde el transporte de especies juega un papel importante, como el transporte de especies iónicas entre electrodos en baterías. Para los materiales de baterías, puede resultar ventajoso tener precipitados pequeños, ya que los precipitados grandes pueden ejercer mucha presión sobre el material. En tal caso, sería beneficioso suprimir el engrosamiento.
Después de esta investigación computacional, Bellon, junto con los profesores de UIUC MatSE, Robert Averback y Marie Charpagne, planean comenzar la validación experimental de los resultados publicados recientemente. Bellon dice: «Esperamos combinar modelos, teoría y experimentos, utilizando todas las herramientas del laboratorio de ciencia de materiales para probar las predicciones de las simulaciones por computadora a nivel experimental».
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