Una nueva técnica de microscopía ha permitido a los investigadores detectar pequeños cambios en la arquitectura a nivel atómico de materiales cristalinos, como en aceros avanzados para cascos de barcos y silicio personalizado para electrónica. Esta técnica podría mejorar nuestra capacidad para comprender los orígenes fundamentales de las propiedades y el comportamiento de los materiales.
En un artículo publicado hoy Materiales naturalesInvestigadores de la Escuela de Ingeniería Aeronáutica, Mecánica y Mecatrónica de la Universidad de Sydney fueron pioneros en una nueva forma de descifrar las relaciones atómicas en los materiales.
El avance podría ayudar a desarrollar aleaciones más resistentes y ligeras para la industria aeroespacial, una nueva generación de semiconductores para electrónica e imanes mejorados para motores eléctricos. También podría permitir la creación de productos sostenibles, eficientes y rentables.
La investigación, dirigida por el profesor Simon Ringer, vicerrector (infraestructura de investigación) de la Universidad de Sydney, utilizó el poder de la tomografía con sonda atómica (APT) para revelar las complejidades del orden de corto alcance (SRO). El proceso SRO es clave para comprender el entorno atómico local, lo cual es esencial para el desarrollo de materiales innovadores que podrían sustentar una nueva generación de aleaciones y semiconductores.
A veces se compara la SRO con el “genoma de los materiales”, la disposición o configuración de los átomos en un cristal. Esto es importante porque las diferentes disposiciones atómicas locales afectan las propiedades electrónicas, magnéticas, mecánicas, ópticas y otras de los materiales, lo que afecta la seguridad y funcionalidad de diversos productos.
Hasta ahora, medir y cuantificar las SRO ha sido un desafío para los investigadores porque las disposiciones atómicas ocurren en una escala tan pequeña que son difíciles de ver con técnicas de microscopía convencionales.
El nuevo método que utiliza APT, desarrollado por el equipo del profesor Ringer, supera estos problemas, allanando el camino para avances en la ciencia de materiales que podrían tener implicaciones de gran alcance para los cascos de acero de los barcos y el silicio adaptado para la electrónica en una variedad de industrias.
«Nuestra investigación supone un gran avance en la ciencia de los materiales», afirmó el profesor Ringer, ingeniero de materiales de la Escuela de Ingeniería Aeroespacial, Mecánica y Mecatrónica (AMME).
«Aparte de la estructura y simetría del cristal, queríamos saber más sobre las relaciones de vecindad a escala atómica en el cristal: ¿son aleatorias o aleatorias? Si es así, queremos cuantificarlas. SRO nos brinda esta información en detalle. abriendo vastas posibilidades para materiales diseñados siguiendo un orden, un átomo a la vez, con arreglos especiales en la vecindad para lograr propiedades deseadas como la resistencia».
La investigación se centró en aleaciones de alta entropía, que son prometedoras para una variedad de aplicaciones de ingeniería avanzada.
«Estas aleaciones son objeto de una enorme investigación en todo el mundo debido al interés en su uso en situaciones en las que se requiere resistencia a altas temperaturas, como en motores a reacción y centrales eléctricas, y para el blindaje de la radiación de neutrones en reactores nucleares, donde la protección contra daños por radiación es necesario», afirmó el profesor Ringer.
El equipo utilizó técnicas avanzadas de ciencia de datos basadas en datos de APT, una sofisticada técnica de imágenes que visualiza átomos en 3D, lo que le permite observar y medir SRO comparando cómo cambia en aleaciones bajo diferentes condiciones de procesamiento.
El estudio se centró en observaciones de una aleación de alta entropía de cobalto, cromo y níquel, revelando cómo diferentes tratamientos térmicos pueden cambiar el SRO.
«Esto proporciona un modelo para futuros estudios en los que los SRO controlan las propiedades críticas de los materiales. Hay mucho más trabajo por hacer en varios aspectos del análisis de SRO; es un problema difícil, pero es un importante paso adelante», afirmó el profesor Ringer.
El Dr. Mengwei He, investigador postdoctoral en la Escuela de Ingeniería Aeronáutica, Mecánica y Mecatrónica, dijo:
«La capacidad de medir y comprender el orden de corto alcance ha transformado la forma en que abordamos el diseño de materiales. Nos brinda una nueva perspectiva para ver cómo pequeños cambios en la arquitectura a nivel atómico pueden conducir a grandes avances en el rendimiento de los materiales».
Fundamentalmente, la investigación mejora la capacidad de los investigadores para simular, modelar y, en última instancia, predecir computacionalmente el comportamiento de los materiales, ya que SRO proporciona un modelo detallado a escala atómica.
El investigador postdoctoral principal, el Dr. Andrew Breen, afirmó: «Hemos demostrado que existen regímenes en los que la SRO puede medirse mediante tomografía con sonda atómica. No sólo hemos implementado un enfoque experimental y un marco computacional para medir la SRO, sino que también hemos producido un análisis de sensibilidad que limita el rango preciso de condiciones, en las que dichas mediciones son válidas y en las que no lo son».
El Dr. Will David, que completó su doctorado con el profesor Ringer y ahora trabaja en la firma de ingeniería Infravue, dijo: «Este es un desarrollo emocionante ya que hemos demostrado que las mediciones de SRO son posibles en aleaciones de múltiples componentes, lo que sin duda será útil para Materiales de ciencia e ingeniería, la comunidad ahora quiere saber cómo ampliar aún más el régimen SRO mensurable, por lo que acaba de abrirse un gran espacio en esta área de investigación.
