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En un artículo reciente en El Diario de Química Física CLos investigadores analizaron el comportamiento superparamagnético inesperado en aleaciones nanocristalinas basadas en niobio de alta entropía.
Estudio: Comportamiento superparamagnético inesperado en aleaciones de alta entropía basadas en niobio nanocristalino. Fuente de la imagen: sakkmesterke/Shutterstock.com
Aleaciones de alta entropía (HEA)
Al expandir cuidadosamente su búsqueda y combinar los metales disponibles en toda la tabla periódica, los científicos e ingenieros exploraron una amplia gama de opciones de diseño para materiales, en particular aleaciones complejas.
Las aleaciones de elementos multiprincipales o de alta entropía (MPEA), que pueden satisfacer las necesidades de las futuras tecnologías aeroespaciales, energéticas y nucleares, han recibido recientemente la mayor atención en la secuencia evolutiva. Originalmente, la idea de aleaciones de alta entropía solo era aplicable a materiales metálicos o aleaciones. Sin embargo, ha evolucionado continuamente para estudiar nuevas sustancias, como B. materiales a base de carburo, óxido y nitruro, con amplia aplicación tecnológica en muy diversos campos.
Aleaciones refractarias de alta entropía (RHEA)
Una nueva área de aplicación para aleaciones refractarias nanocristalinas de alta entropía para entornos hostiles, particularmente en los sectores de defensa, aeroespacial y energético, está habilitada por la excepcional resistencia a la fluencia del material a temperaturas más altas. La comunidad de investigación espera desarrollar aleaciones de alta entropía a nanoescala más sofisticadas para aplicaciones de dispositivos multifuncionales después de darse cuenta del potencial de las aleaciones de alta entropía nanoestructuradas.
El mejor uso para las aleaciones refractarias de alta entropía es en aplicaciones de alta temperatura debido a su punto de fusión excepcionalmente alto. Las aleaciones refractarias de alta entropía aún no se han aplicado en otros campos o para otros fines, especialmente a nanoescala.
Aunque ha habido pocos intentos de documentar el crecimiento controlado y la microestructura de aleaciones nanoestructuradas de alta entropía, ha sido difícil demostrar nanopartículas de aleación de alta entropía con distribución de tamaño ultraestrecha y funcionalidad mejorada.
Nanopartículas hechas de aleaciones refractarias de alta entropía
En este estudio, los autores informaron sobre el desarrollo de un comportamiento superparamagnético en nanopartículas preparadas a partir de la aleación refractaria de alta entropía Nb-Cr-Ta-VW utilizando un proceso de pulverización mecánica simple llamado molienda de bolas de alta energía. La estructura, composición, forma y distribución elemental de las nanopartículas refractarias de aleación de alta entropía se evaluaron mediante microscopía electrónica de barrido (SEM), espectroscopía de rayos X de dispersión de energía (EDS) y difracción de rayos X detallada (XRD). los resultados se compararon con el volumen.
Caracterización de la aleación refractaria de alta entropía
La nanoaleación refractaria de alta entropía retuvo la estructura cristalina inicial y la fase de acuerdo con los datos de XRD y SEM combinados con las investigaciones de EDS. Sin embargo, el tamaño se redujo rápidamente con el tiempo de molienda. Con un aumento en el tiempo de molienda a 16 horas, el tamaño promedio de los cristalitos disminuyó de 32 a 12 nanómetros. Las nanopartículas de aleación refractaria de alta entropía mostraron una naturaleza superparamagnética, mientras que las muestras a granel se comportaron como diamagnéticas.
El equipo demostró las propiedades superparamagnéticas de las nanopartículas refractarias de aleación de alta entropía mediante mediciones magnéticas realizadas a temperatura ambiente y criogénica. Mientras que el tamaño del dominio magnético siguió la tendencia opuesta, el valor de magnetización de saturación aumentó exponencialmente con el tiempo de molienda y se estabilizó después de 8 horas de pulverización. Este patrón superparamagnético de la nanopartícula refractaria de aleación de alta entropía resultó de una caída significativa en el tamaño del dominio magnético.
Los investigadores se están centrando en el peculiar comportamiento magnético y la fabricación a nanoescala de aleaciones refractarias basadas en Nb, lo que podría dar lugar a nuevos desarrollos en el campo de los materiales para aplicaciones en entornos extremos. La energía cinética se transfirió al cristal anfitrión durante los procesos de pulverización mecánica, rompiéndolo en partículas más pequeñas. Además, la fuerte disminución en el tamaño de los cristalitos fomentó la formación de dominios magnéticos aún más pequeños, promoviendo el superparamagnetismo en un amplio rango de temperatura. Según los estudios de estructura de fase XRD, no hubo una diferencia perceptible en la estructura cristalina entre las muestras de aleación refractaria de alta entropía a granel y a nanoescala.
Comportamiento superparamagnético de una aleación refractaria de alta entropía
La temperatura de bloqueo (TB) estuvo por debajo de 50, 96, 85 y 125 K para las muestras molidas con bolas después de 2, 8, 4 y 16 h, respectivamente. a 400K Esto apoyó el comportamiento superparamagnético de las muestras a nanoescala observadas a 50 K ya temperatura normal. El comportamiento no magnético de la muestra a granel fue respaldado por la curva ZFC/FC que muestra magnetización bajo cero de 50K a 400K en presencia de un campo magnético aplicado de 200 oersteds. Para las muestras molidas después de 2, 4, 8 y 16 h, respectivamente, las muestras molidas con bolas muestran coercitividad (HC) cerca de cero y magnetización de saturación (MS) de 5, 6, 7 y 7 unidades electromagnéticas/gramo.
Conclusiones y perspectivas de futuro
En conclusión, este estudio demostró que las nanopartículas de aleación refractaria de alta entropía exhibieron propiedades superparamagnéticas inesperadas en contraste con su volumen equivalente. El tamaño de los dominios magnéticos difería significativamente entre las muestras de aleación refractaria de alta entropía a granel y a nanoescala. El comportamiento superparamagnético de las muestras a nanoescala fue causado por la reducción del tamaño del dominio magnético.
El comportamiento superparamagnético de las nanopartículas refractarias de aleación de alta entropía se confirmó mediante mediciones magnéticas con un bucle de histéresis cerrado (M x H) tanto a temperatura ambiente como criogénica. Los resultados M x H observados del comportamiento no magnético de la muestra a granel y el comportamiento superparamagnético de las muestras a nanoescala fueron respaldados por las mediciones M x T.
Los autores mencionaron que estas impresionantes propiedades magnéticas amplían el potencial de las aleaciones refractarias de alta entropía para aplicaciones magnéticas de bajo costo en entornos hostiles.
Relación
Das, D., Getahun, Y., Escobar, FS, y otros. (2022) Comportamiento superparamagnético inesperado en aleaciones de alta entropía basadas en niobio nanocristalino. El Diario de Química Física C. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jpcc.2c03111
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