¿Cómo podemos diseñar materiales más resistentes y ligeros? ¿Qué pasa con los nuevos materiales para condiciones extremas, como motores a reacción y naves espaciales?
La respuesta, dice Fadi Abdeljawad, profesor asociado de ciencia e ingeniería de materiales en la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas PC Rossin de la Universidad de Lehigh, puede estar escondida en regiones o límites infinitamente pequeños donde se unen los átomos del cristal.
Con sus colaboradores del Centro de Nanotecnologías Integradas (CINT) del Departamento de Energía de EE. UU., Abdeljawad está descubriendo cómo estos pequeños límites tienen un impacto tan grande en las propiedades de los nanomateriales.
“Los átomos se unen para formar nanocristales, que esencialmente constituyen alrededor de 1/10.000metro “El ancho de un cabello humano”, explica Abdeljawad. “Piense en estos cristales que se unen como la pieza de un rompecabezas o los azulejos del piso de una cocina. Miles de millones de estos nanocristales apilados uno encima del otro constituyen la mayoría de los materiales de ingeniería”.
Según los investigadores, la región donde se encuentran los cristales juega un papel importante a la hora de determinar el comportamiento de un material. Recientemente se ha publicado el trabajo del equipo. nano letraUna revista que publica investigaciones de vanguardia en nanociencia y nanotecnología conocida por su alto impacto.
El artículo, “La segregación de triple unión domina la estabilidad de las aleaciones nanocristalinas”, se publicó el 29 de julio y explora cómo las pequeñas características de los nanomateriales, conocidas como uniones triples, desempeñan un papel importante en el mantenimiento de la estabilidad de estos materiales a altas temperaturas.
Oro en la esquina
Los materiales nanocristalinos tienen una estructura muy fina, formada por muchos cristales diminutos. Estas pequeñas formas de cristal pueden fortalecer el material. Sin embargo, mantener estos cristales pequeños y estables en el tiempo es un desafío porque tienden a crecer, lo que puede debilitar el material.
En este estudio, los investigadores descubrieron que la clave para mantener la estabilidad de estos materiales a altas temperaturas es la triple unión, el rincón donde se unen estos tres nanocristales. Imagínese tres esquinas de un rompecabezas uniéndose.
Lo que los científicos han descubierto es que cuando se añaden ciertos átomos para formar una aleación, prefieren ocupar sitios en estas uniones triples. Esta “segregación química” o ensamblaje de átomos en la triple unión ayuda a proteger el grano del crecimiento, evitando así que el material pierda su resistencia con el tiempo.
Este estudio en particular demostró que los átomos de oro contenidos en uniones triples en nanomateriales de platino permiten que el material permanezca estable en condiciones de alta temperatura.
“Al comprender este proceso”, dice Abdeljawad, “los científicos pueden diseñar mejores aleaciones nanocristalinas. Pueden elegir elementos específicos que entrarán en la unión triple y estabilizarán el material. Esto es especialmente importante para aplicaciones donde la resistencia y la estabilidad a altas temperaturas son importantes”. “como en las industrias aeroespacial y energética.”
Aprovechando el poder del trabajo en equipo
Abdeljawad, científico de materiales computacionales de Lehigh, realizó estudios computacionales a gran escala que predijeron este resultado. Para validar los modelos, el equipo computacional se asoció con el Centro de Nanotecnologías Integradas (CINT). CINT proporciona herramientas avanzadas y experiencia para la investigación a nanoescala, lo que permite que la investigación de vanguardia en ciencia de materiales, nanofabricación y nanofotónica impulse el progreso científico y tecnológico.
“Este es un excelente ejemplo de ciencia colaborativa”, afirmó el Dr. Brad Boyce, científico principal del CINT y coautor del estudio. “Nuestras ideas sobre cómo diseñar nuevos materiales mediante la creación de características a nanoescala están madurando como resultado de nuestra capacidad para simular la compleja disposición de los átomos que componen estos materiales”.
CINT es una de las cinco instalaciones para usuarios de nanociencia financiadas por la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE.UU. Es operado conjuntamente por Sandia National Labs y Los Alamos National Lab, ambos ubicados en Nuevo México. Las dos instalaciones, una instalación central en Albuquerque y una instalación de entrada en Los Alamos, ofrecen capacidades únicas y científicos expertos para avanzar en la investigación en nanociencia. Estos recursos son gratuitos para los científicos usuarios que sean aceptados en base a una propuesta de dos páginas revisada por pares.