Resumen:
Un equipo de investigación internacional descubrió que dos aleaciones experimentales a base de niobio y titanio aún pueden mantener una resistencia al agrietamiento extremadamente alta en ambientes de temperaturas extremadamente bajas cercanas al cero absoluto. Este descubrimiento rompe la comprensión de larga data sobre la fragilización de los metales a baja temperatura en el campo de la ciencia de materiales y abre una nueva dirección para el desarrollo de materiales más confiables para futuros dispositivos de energía de fusión, equipos de computación cuántica, naves espaciales e infraestructura de energía de hidrógeno.
La mayoría de los metales se vuelven más fuertes a medida que bajan las temperaturas, pero también se vuelven más susceptibles a romperse. Esto es especialmente cierto para los metales con estructuras cúbicas centradas en el cuerpo, como el hierro, el tungsteno y el cromo. Cuando las temperaturas caen a niveles extremadamente bajos, las tensiones que de otro modo podrían absorberse mediante flexión o deformación a menudo se convierten en fracturas repentinas.
La razón importante de este fenómeno es que la actividad de dislocación dentro del metal está restringida. Las dislocaciones son defectos lineales en las estructuras cristalinas que ayudan a que los metales se deformen plásticamente cuando se exponen a fuerzas externas. Sin embargo, a medida que la temperatura continúa disminuyendo, estas dislocaciones se vuelven cada vez más difíciles de mover, lo que hace que el material pierda su capacidad para aliviar tensiones y se vuelva más frágil.
Un equipo de investigación dirigido conjuntamente por la Universidad de California en Berkeley, el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y la Universidad de Oxford en el Reino Unido descubrió que dos aleaciones experimentales basadas en niobio y titanio pueden evitar este problema. Incluso en un entorno de 20 Kelvin, que es aproximadamente -253 grados Celsius (menos 424 grados Fahrenheit), todavía muestran una fuerte resistencia al agrietamiento y no hay una transición frágil mensurable a la temperatura más baja probada experimentalmente.
Para estudiar el comportamiento de estos materiales a temperaturas extremadamente bajas, los científicos realizaron experimentos utilizando la instalación Engin-X en ISIS Neutron and Muon Source en Oxfordshire, Reino Unido. Usaron helio para enfriar la muestra a aproximadamente -253 grados Celsius y luego realizaron pruebas de tracción biaxial en la muestra bajo irradiación con haz de neutrones para medir con precisión la carga que el material podía soportar y cuánto se estiraba antes de romperse.
Observaciones adicionales con microscopía electrónica revelaron el secreto de la dureza del material. Los investigadores descubrieron que se produce un cambio estructural llamado "nanogemelos" cerca de las grietas y dentro de la aleación. Durante este proceso, áreas locales del cristal se reorganizan para formar una estructura simétrica especular, acompañada de una transformación local de la estructura cristalina.
Cuando estas estructuras recién formadas entran en contacto con los límites de los granos adyacentes, generarán áreas locales de alta tensión e inducirán aún más la generación de nuevos defectos cristalinos. Los nuevos defectos pueden seguir asumiendo la tarea de deformación plástica, de modo que el material pueda seguir deformándose cuando se somete a tensión en lugar de agrietarse directamente.
Los investigadores compararon este mecanismo con la respuesta de emergencia de la red de carreteras durante una tormenta de nieve. Cuando las carreteras existentes estén bloqueadas por hielo y nieve, el sistema de transporte abrirá nuevas rutas. Del mismo modo, cuando el movimiento de dislocación convencional se restringe a temperaturas extremadamente bajas, la formación de nanogemelos crea nuevos canales de deformación que mantienen la dureza del material.
El equipo de investigación afirmó que este mecanismo microscópico previamente subestimado revela una nueva forma de resistir la fragilidad a baja temperatura. En el pasado, la comunidad de ingenieros siempre ha creído que es difícil evitar que los metales cúbicos centrados en el cuerpo se vuelvan quebradizos a temperaturas ultrabajas. Sin embargo, este estudio muestra que al diseñar racionalmente la composición y la microestructura de la aleación, el material puede cambiar activamente los modos de deformación y continuar absorbiendo y dispersando la tensión.
Los investigadores creen que se espera que este descubrimiento promueva el desarrollo de una nueva generación de materiales de ingeniería de baja temperatura en el futuro. En los reactores de fusión, los sistemas de transporte y almacenamiento de hidrógeno líquido, los detectores del espacio profundo y los equipos de tecnología cuántica, muchos componentes clave deben funcionar a temperaturas extremadamente bajas durante mucho tiempo. Los materiales que puedan combinar alta resistencia y dureza mejorarán significativamente la confiabilidad y seguridad de estos sistemas de tecnología avanzada.
Se han publicado resultados de investigación relevantes en la revista académica internacional "Nature". El equipo de investigación dijo que el siguiente paso será explorar si este mecanismo puede extenderse a más sistemas metálicos y diseñar nuevas aleaciones de ingeniería adecuadas para entornos más hostiles.
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