Una nueva clase de materiales metálicos con posibles aplicaciones en turbinas de aviones, reactores nucleares y equipos para exploración espacial puede soportar temperaturas extremas y resistir fracturas, pero los científicos no han entendido por qué hasta ahora.

Según un nuevo estudio codirigido por investigadores de Penn State, la respuesta podría estar relacionada con el orden de corto alcance del material, o la disposición local de los átomos dentro de un material.Este conocimiento podría conducir a una mayor mejora en larendimiento mecánicoy la tolerancia al daño de estos materiales, dijeron los investigadores, lo que a su vez conducirá a avances en la seguridad y confiabilidad de los sistemas de ingeniería de próxima generación para el transporte o las plantas de energía.

Sus resultados fueronpublicadoenComunicaciones de la naturaleza.

El equipo desarrolló un nuevo método de obtención de imágenes para estudiar la disposición atómica local de los materiales metálicos, llamados aleaciones de alta y media entropía (HEA/MEA), y centró su estudio específicamente en la MEA de cromo-cobalto-níquel (CrCoNi) y susimpactos en el rendimiento mecánico.

"El rendimiento mecánico del CrCoNi es asombroso", dijo el coautor Yang Yang, profesor asistente de ciencias de la ingeniería, mecánica e ingeniería nuclear de Penn State, quien también está afiliado al Instituto de Investigación de Materiales."Por ejemplo, recientemente se ha demostrado que tiene la mayor dureza de la Tierra a casi -423°F. Pero la gente no sabía por qué era tan bueno".

Algunos científicos, dijo Yang, plantearon la hipótesis de que el orden de corto alcance era el responsable de esto.

"Pero debido a que el orden de corto alcance es tan pequeño y sutil en los materiales, es muy difícil observarlo o medirlo para proporcionar pruebas experimentales", dijo el coautor correspondiente Andrew M. Minor, profesor de ciencia e ingeniería de materiales en laUniversidad de California Berkeley (UC Berkeley) y Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (LBNL).

CrCoNi tiene tres componentes: cromo, cobalto y níquel.Cada elemento tiene la misma fracción atómica dentro de la aleación, y los primeros estudios asumieron que cada uno de los tres tipos de átomos estaba distribuido aleatoriamente dentro del sistema, según Yang.Sin embargo, Yang dijo que estudios recientes muestran que el material en realidad muestra un orden de corto alcance.

"Imaginemos que hay una fiesta con gente de Penn State, Ohio State y North Carolina State", dijo Yang."Y, idealmente, se esperaría que todos se mezclaran perfectamente, creando una mezcla uniforme de individuos en toda la sala. Sin embargo, en la práctica, este no es siempre el caso. A menudo, las personas de la misma universidad tienden a gravitar entre sí., elaborado a partir de experiencias compartidas. Se trata de una especie de orden de corto plazo, que se desvía de la distribución aleatoria prevista".

Para estudiar el papel del orden de corto alcance en CrCoNi, el equipo diseñó un experimento utilizando un escaneo 4D con filtrado de energía.microscopía electrónica de transmisión(Sistema 4D-STEM).En un experimento 4D-STEM, un haz de electrones de tamaño nanométrico escanea la muestra, generando un patrón de difracción de electrones de nanohaz para cada punto.

Según Minor, pudieron capturar cientos de imágenes de difracción de electrones cada segundo, lo que les permitió analizar la evolución de los defectos de los materiales bajo tensión con un gran campo de visión y alta resolución.

"Los defectos se forman durante el proceso de deformación mecánica, y de hecho descubrimos que hay una transición en la formación de un defecto", dijo Minor, señalando que se centraron específicamente en los defectos planos, o los "errores" en la secuencia de apilamiento de planos deátomos.