Con financiación del Departamento de Defensa de EE. UU., investigadores de la Universidad de Virginia y la Universidad Estatal de Arizona están estudiando el potencial de los minerales y las rocas para crear los materiales más duraderos y resistentes al calor. Un proyecto de investigación colaborativo financiado por el Departamento de Defensa de EE. UU. está explorando el uso de minerales y rocas naturales para desarrollar materiales innovadores resistentes al calor, centrándose en la sostenibilidad y el uso eficiente de elementos de tierras raras.
El material resistente al calor más duradero jamás creado puede estar escondido a plena vista.
El Departamento de Defensa de Estados Unidos quiere saber si los minerales y rocas encontrados en la Tierra y en el espacio contienen los secretos de la próxima generación de materiales de alta temperatura. Para averiguarlo, el Departamento de Defensa otorgó una subvención de 6,25 millones de dólares a través de la Iniciativa de Investigación Universitaria Multidisciplinaria (MURI) a un equipo de investigación de la Universidad de Virginia y la Universidad Estatal de Arizona. El equipo está dirigido por Elizabeth J. Opila, presidenta del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales y profesora de Rolls-Royce Commonwealth en la Universidad de Virginia.
El altamente competitivo programa MURI proporciona financiación para la investigación científica básica en la que el Departamento de Defensa espera lograr avances en sus áreas de interés a través de conocimientos colectivos de múltiples disciplinas.
"Este es un momento de auge para los materiales de alta temperatura debido a las demandas en nuevas áreas como la producción de energía, la tecnología hipersónica y la fabricación aditiva", dijo Opila. "La gente está explorando nuevos espacios compositivos, mezclando diferentes elementos de diferentes maneras. Además de eso, también estamos pensando en estos materiales de inspiración geológica y planetaria, lo cual es realmente interesante". Los minerales y las rocas son muy complejos en comparación con los materiales compuestos con los que suelen trabajar los científicos, por lo que el potencial de este proyecto es apasionante.
"Lo que los geólogos realmente están observando es cómo se formó la Tierra y dónde encontramos estos diferentes materiales", dijo Opila. "Queremos llevar este conocimiento a las aplicaciones".
Al seleccionar propiedades físicas específicas, los investigadores replicarán el uso que hace la naturaleza de la composición mineral, la temperatura, la presión y los cambios rápidos en estas fuerzas para crear sus materiales sintéticos. Nuestro objetivo es ampliar en gran medida los medios de procesamiento y los ingredientes para materiales de alta temperatura y documentarlos para que otros superen cualquier cosa jamás creada por los humanos o la naturaleza.
Buscando materiales refractarios
Para abordar la necesidad de mejores materiales refractarios (aquellos que sean menos susceptibles a debilitarse, derretirse o descomponerse bajo altas temperaturas o condiciones corrosivas), la Oficina de Investigación del Ejército de EE. UU. está solicitando propuestas para comportamientos refractarios emergentes en materiales terrestres y extraterrestres. Entre varios objetivos, el equipo de Opila diseñará, construirá, probará y caracterizará una gama de nuevos materiales que superarán a las cerámicas, aleaciones y recubrimientos que se utilizan actualmente en entornos de alta temperatura, como los motores a reacción a 3000 grados Fahrenheit.
Opila es un ex científico de la NASA e innovador en materiales resistentes al calor y a la corrosión. Sus colaboradores son expertos en geología, modelado computacional y ciencia de materiales de la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la UVA, la Escuela de Ingeniería de Materiales, Transporte y Energía de la UVA, la Escuela de Ciencias Moleculares y la Escuela de Exploración de la Tierra y el Espacio.
Los investigadores co-principales de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Virginia son Patrick E. Hopkins, profesor Whitney Stone de Ingeniería Mecánica y Aeroespacial, y Bi-Cheng Zhou, profesor asistente de ciencia e ingeniería de materiales.
El laboratorio ExSiTE de Hopkins se especializa en tecnología de medición de propiedades térmicas basada en láser. Su laboratorio caracterizará los materiales propuestos por el equipo de investigación.
Bicheng Zhou es un experto en modelos computacionales conocido por inventar variaciones del método CALPHAD para ampliar sus capacidades. Él y Hong Qijun, otro experto en modelado computacional y profesor asistente en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de ASU, utilizarán sus respectivas experiencias para descubrir rápidamente "recetas" prometedoras para los laboratorios experimentales de las dos universidades.
El laboratorio de la Universidad de Arizona está dirigido por Alexandra Navrotsky, una reconocida experta interdisciplinaria en termodinámica y directora del Centro Navrotsky-Eylin de Materiales Cósmicos, y Hongwu Xu, mineralogista y químico de materiales que es profesor en la Facultad de Ciencias Moleculares y Exploración de la Tierra y el Espacio de la Universidad de Arizona.
Opilla dijo que los equipos crearán y analizarán recetas futuras, a menudo intercambiando muestras para realizar pruebas, con su laboratorio aplicando temperaturas extremas y el laboratorio de la Universidad de Arizona realizando pruebas de alta presión y alta temperatura.
Pádraigín Stack, estudiante de doctorado de la Universidad de Virginia, dijo que las muestras de prueba sintéticas tradicionalmente comienzan con elementos en polvo y luego cambian químicamente el polvo para aislar el material objetivo o los componentes del material objetivo.
Los nuevos ingredientes se diluyen, se calientan y se secan nuevamente hasta convertirlos en polvo, y luego se sinterizan, donde se aplica suficiente calor y presión para formar una bola densa de material. Las rodajas finas del bloque sinterizado se denominan "muestras" y los investigadores las someterán a una variedad de pruebas, por ejemplo, sometiéndolas a vapor de alta velocidad en el laboratorio de Opilla o aplicando presiones de tipo geológico con un yunque de diamante en la Universidad Estatal de Arizona.
Además de estos métodos de síntesis tradicionales, el equipo de investigación también probará métodos inspirados en fenómenos planetarios o geológicos, como la síntesis hidrotermal mediante el calentamiento de agua a alta presión. Debido a que el agua es tan abundante en el interior de la Tierra, de alta temperatura y alta presión, los procesos hidrotermales están relacionados, entre otras cosas, con la formación de minerales que contienen elementos de tierras raras, ingredientes clave para muchas aplicaciones de energía renovable.
En el laboratorio, la síntesis hidrotermal implica la formación de cristales en una solución a base de agua caliente en un recipiente cerrado, de modo que las moléculas gaseosas que se mueven sobre el líquido crean una alta presión de vapor dentro del sistema.
El dilema de los elementos de tierras raras
Uno de los objetivos del proyecto MURI es la utilización de tierras raras. Muchos elementos de tierras raras ya se utilizan en materiales tradicionales de alta temperatura, como recubrimientos de barrera ambiental en la aviación y los vuelos hipersónicos, así como en baterías, dispositivos LED y otros productos que tienen cada vez más demanda, pero a un alto costo. Si bien las tierras raras no son realmente raras, aislarlas del suelo y las rocas requiere docenas de pasos, la mayoría de los cuales causan contaminación.
"Todos estos óxidos de tierras raras que queremos utilizar se encuentran ahora en minerales", dijo Opila. "Alguien los extrae y luego los aísla todos. Por ejemplo, el iterbio y el lutecio son vecinos en la tabla periódica. Son químicamente muy similares y requieren 66 pasos que involucran muchos químicos que crean un producto de desecho desagradable".
El problema de la separación llevó a Opila a plantear una pregunta que está en el centro de otro proyecto relacionado con MURI en el que ella y sus estudiantes están trabajando: "¿Qué pasaría si extrajeras un mineral hecho de los elementos que quieres directamente del suelo, pero no los separaras, sólo lo limpiaras un poco y lo usaras para hacer tu material?"
Están experimentando con el uso de un mineral común, el xenón, para mejorar los recubrimientos de barrera ambiental, o EBC, que protegen las piezas de los motores a reacción de peligros como el vapor de alta velocidad y los vientos del desierto. Si la arena penetra en el revestimiento, se fundirá formando vidrio y reaccionará con la aleación subyacente.
"Sabemos que ciertos minerales son estables porque podemos encontrarlos bajo tierra", dijo Stark. "No se encuentra hierro metálico bajo tierra, sólo se encuentra óxido de hierro, porque el óxido de hierro es estable. Exploremos por qué algo es estable, o si tiene otras propiedades útiles, y usemos ese conocimiento para hacer algo mejor".
Fuente compilada: ScitechDaily