Un equipo de científicos han logrado medir la dureza más nunca antes registrada, de cualquier material, mientras investigaban una aleación metálica hecha de cromo, cobalto y níquel.

Posee una resistencia y una ductilidad excepcionalmente altas, lo que ha dado lugar a lo que un equipo de científicos ha denominado “tolerancia excepcional a los daños”.

Además, estas propiedades aumentan a medida que el material se enfría, lo que sugiere un interesante potencial para aplicaciones en entornos criogénicos extremos.

Easo George, titular de Chair for Advanced Alloy Theory and Development del Oak Ridge National Laboratory en la University of Tennessee, dijo en un comunicado:

“Cuando se diseñan materiales estructurales, se busca que sean fuertes pero también dúctiles y resistentes a la fractura.

Normalmente, se trata de un compromiso entre estas propiedades. Pero este material tiene ambas, y en lugar de volverse quebradizo a bajas temperaturas, se vuelve más resistente”.

La resistencia, la ductilidad y la tenacidad son tres propiedades que determinan la durabilidad de un material. La fuerza describe la resistencia a la deformación. Y la ductilidad describe lo maleable que es un material. Estas dos propiedades contribuyen a su tenacidad global: la resistencia a la fractura. La tenacidad a la fractura es la resistencia a la fractura en un material ya fracturado.

George y su colega Robert Richie, ingeniero mecánico del Berkeley National Laboratory y la University of California, Berkeley, han trabajado durante algún tiempo en una clase de materiales conocidos como aleaciones de alta entropía o HEA. En la mayoría de las aleaciones predomina un elemento, con pequeñas proporciones de otros mezclados. Las HEA contienen elementos mezclados en proporciones iguales.

Una de estas aleaciones, CrMnFeCoNi (cromo, manganeso, hierro, cobalto y níquel), ha sido objeto de intensos estudios después de que los científicos observaran que su resistencia y ductilidad aumentan a la temperatura del nitrógeno líquido sin comprometer la tenacidad.

Un derivado de esta aleación, el CrCoNi (cromo, cobalto y níquel), presentaba propiedades aún más excepcionales. Así que George y Ritchie y su equipo se partieron los nudillos y se pusieron a llevarla al límite.

Las estructuras de red cristalina y de grano de CrMnFeCoNi y CrCoNi. Crédito: Robert Ritchie/Berkeley Lab)

Los experimentos anteriores con CrMnFeCoNi y CrCoNi se habían realizado a temperaturas de nitrógeno líquido, hasta 77 Kelvin (-196°C, -321°F). El equipo lo llevó aún más lejos, a temperaturas de helio líquido.

Los resultados fueron más que sorprendentes.

Ritchie explica:

“La dureza de este material a temperaturas cercanas a las del helio líquido (20 Kelvin, [-253 °C, -424 °F]) alcanza los 500 megapascales por metro cuadrado. En las mismas unidades, la tenacidad de un trozo de silicio es de uno, la del armazón de aluminio de los aviones de pasajeros es de unos 35, y la de algunos de los mejores aceros ronda los 100. Así que 500 es una cifra asombrosa”.

Para averiguar cómo funciona, el equipo utilizó difracción de neutrones, difracción de retrodispersión de electrones y microscopía electrónica de transmisión para estudiar el CrCoNi hasta el nivel atómico cuando se fracturaba a temperatura ambiente y en frío extremo.

Para ello, se agrietó el material, se midió la tensión necesaria para que se produjera la fractura y se observó la estructura cristalina de las muestras.

Los átomos de los metales están dispuestos en un patrón que se repite en el espacio tridimensional. Este patrón se conoce como red cristalina. Los componentes que se repiten en la red se denominan celdas unitarias.

A veces se crean límites entre las celdas unitarias que están deformadas y las que no lo están. Estos límites se denominan dislocaciones y, cuando se aplica una fuerza al metal, se mueven, permitiendo que el metal cambie de forma. Cuantas más dislocaciones tenga un metal, más maleable será.

Imágenes de microscopía electrónica de barrido de fracturas en CrCoNi a 293 Kelvin (izquierda) y 20 Kelvin (derecha). Crédito: Robert Ritchie / Berkeley Lab

Las irregularidades del metal pueden impedir que las dislocaciones se muevan, lo que hace que un material sea resistente. Pero si las dislocaciones se bloquean, en lugar de deformarse, un material puede agrietarse, por lo que una gran resistencia puede significar a menudo una gran fragilidad. En el CrCoNi, los investigadores identificaron una secuencia particular de tres bloques de dislocaciones.

El primero en producirse es el deslizamiento, que es cuando partes paralelas de la red cristalina se deslizan alejándose unas de otras. Esto hace que las celdas unitarias dejen de coincidir perpendicularmente a la dirección de deslizamiento.

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Si se mantiene la fuerza, se produce el nanotwinning, en el que las redes cristalinas forman una disposición reflejada a ambos lados de un límite. Si se aplica más fuerza, esa energía se emplea en reorganizar la forma de las celdas unitarias, de una red cristalina cúbica a una hexagonal.

Ritchie explica:

“Al tirar de él, se pone en marcha el primer mecanismo, luego el segundo, el tercero y el cuarto.

Ahora, mucha gente dirá, bueno, hemos visto nanotwinning en materiales normales, hemos visto deslizamiento en materiales normales. Y es cierto. No hay nada nuevo en ello, pero es el hecho de que todo ocurra en esta secuencia mágica lo que nos da estas propiedades realmente tremendas.”

Los investigadores también probaron el CrMnFeCoNi a temperaturas de helio líquido, pero no funcionó tan bien como su derivado más simple.

El siguiente paso será investigar las posibles aplicaciones de un material así, así como encontrar otros HEA con propiedades similares.

La hallazgos de la investigación han sido publicados en Science.

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