Investigadores de ingeniería de la Universidad Purdue han logrado recientemente un gran avance en el campo de la ciencia de los materiales y han desarrollado con éxito un nuevo material compuesto nanolaminado de cobalto y aluminio. Este material rompe por completo la maldición de resistencia y ductilidad incompatibles de los metales tradicionales de alto rendimiento. Su resistencia puede ser hasta 10 veces mayor que la del acero estructural de alta resistencia y aún tiene una excelente resistencia a la deformación y fractura a temperatura ambiente. Los resultados de la investigación se han publicado oficialmente en la revista Science Advances.
En campos de alta precisión como el aeroespacial y el energético, componentes clave como las palas de las turbinas deben soportar temperaturas extremadamente altas y tensiones mecánicas severas sin doblarse, agrietarse o deslizarse. Aunque los compuestos intermetálicos como el cobalto y el aluminio tienen puntos de fusión, resistencia a la fluencia y solidez extremadamente altos debido a sus estructuras cristalinas altamente ordenadas, su debilidad fatal es que son extremadamente frágiles a temperatura ambiente y se romperán con el menor impacto externo, lo que los hace enfrentar enormes desafíos en la fabricación y aplicación reales.
Para resolver este problema de la industria, un equipo de investigación de la Universidad Purdue rompió con las convenciones e introdujo imperfecciones a escala atómica en el proceso de fabricación. Los investigadores utilizaron tecnología de deposición por pulverización catódica con magnetrón para transformar el material directamente de vapor de aleación a una película sólida. En el proceso, implantaron inteligentemente una gran cantidad de dislocaciones microscópicas preexistentes dentro del material de cobalto-aluminio y construyeron una estructura única compuesta por una interfaz amorfa. Estos límites flexibles amorfos cristalizarán parcialmente cuando sean extruidos y deformados por fuerzas externas, activando e induciendo así más dislocaciones en la capa de cobalto-aluminio circundante. Este diseño microscópico le da a la red cristalina originalmente frágil un nuevo mecanismo de absorción y deformación de energía.
Las pruebas nanomecánicas muestran que el límite elástico de este nuevo material nanolaminado de cobalto y aluminio alcanza la asombrosa cifra de 6 gigapascales, lo que equivale a entre 6 y 10 veces el del acero estructural de alta resistencia. Al mismo tiempo, puede soportar más del 15% de deformación plástica en condiciones de compresión a temperatura ambiente, mostrando una fuerte resistencia a la deformación permanente y a la fractura frágil. Investigadores de la Universidad de Houston confirmaron además mediante simulaciones de dinámica molecular que esta interfaz amorfa actúa como una fuente activa de deformación plástica cuando está bajo presión, equilibrando perfectamente una resistencia mecánica ultraalta y una ductilidad excelente.
El equipo de investigación afirmó que este avance no sólo proporciona una nueva forma de resolver los defectos de fragilidad de los compuestos intermetálicos, sino que también sienta una base sólida para el futuro diseño de materiales avanzados en los campos aeroespacial, de exploración del espacio exterior y de energía y defensa de vanguardia. En el siguiente paso, los investigadores trabajarán para expandir este concepto de diseño estructural a nanoescala a la fabricación de compuestos a granel a mayor escala y promoverán su aplicación a otros sistemas de compuestos intermetálicos frágiles para promover nuevas aleaciones ultrafuertes y resistentes hacia aplicaciones industriales más amplias.