¿Cómo podemos diseñar materiales que sean fuertes y ligeros? ¿Qué pasa con los nuevos materiales para condiciones extremas, como motores a reacción y naves espaciales?
Fadi Abduljawad, profesor asociado de ciencia e ingeniería de materiales en la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas PC Rosson de la Universidad de Lehigh, dice que la respuesta puede estar en las regiones infinitamente pequeñas, o límites, donde se unen los átomos del cristal.
Junto con sus colegas del Centro de Nanotecnologías Integradas (CINT) del Departamento de Energía de EE. UU., Abdul-Jawad está descubriendo cómo estos pequeños límites tienen un impacto tan grande en las propiedades de los nanomateriales.
“Los átomos se agrupan para formar nanocristales, que son esencialmente de aproximadamente 1/10.000 del tamaño.Th El ancho de un cabello humano”, explica Abduljawad. “Piense en estos cristales como piezas de un rompecabezas o como baldosas en el piso de una cocina. Miles de millones de estos nanocristales se apilan unos encima de otros para formar la mayoría de los materiales de ingeniería”.
Según los investigadores, son las zonas de encuentro de los cristales las que desempeñan un papel importante a la hora de determinar el comportamiento de un material. Recientemente, se publicó el trabajo del equipo. NanolitrosUna 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 los compuestos nanocristalinos”, se publicó el 29 de julio y explora cómo las pequeñas características de los nanomateriales, llamadas uniones triples, son altamente importantes. Cómo la temperatura juega un papel importante en el mantenimiento de la estabilidad de estos materiales.
Dormir en los rincones
Los materiales nanocristalinos tienen una estructura muy fina, formada por muchos cristales diminutos. Este pequeño tamaño de cristal puede fortalecer el material. Sin embargo, es difícil mantener estos cristales pequeños y estables en el tiempo a medida que crecen, 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 reside en las uniones triples, las esquinas donde se unen tres de estos nanocristales. Imagínese las esquinas de tres piezas de un rompecabezas uniéndose.
Lo que descubrieron los científicos es que cuando se añaden ciertos átomos para formar aleaciones, prefieren ocupar sitios en estas uniones triples. Esta “segregación química”, o agregación de átomos en la triple unión, ayuda a prevenir el crecimiento del grano, evitando así que el material pierda su resistencia con el tiempo.
Este estudio en particular demostró que los átomos de oro colocados cuidadosamente en la triple unión de un nanomaterial de platino permitieron que el material permaneciera estable en condiciones de alta temperatura.
“Al comprender este proceso, los científicos pueden diseñar mejores aleaciones nanocristalinas. Pueden elegir elementos específicos que vayan a la triple unión y estabilicen el material. Esto es particularmente importante para estas aplicaciones”, dice Abdul-Jawad, donde la resistencia y la estabilidad son importantes. Las temperaturas elevadas son clave, como en las industrias aeroespacial y energética”.
Aprovechando el poder del trabajo en equipo
Abdul Jawad, científico de materiales computacionales de Lehigh, realizó extensos estudios computacionales que predijeron estos resultados. 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 estudios de vanguardia en ciencia de materiales, nanofabricación y nanofotónica para el progreso científico y tecnológico.
“Este es un maravilloso ejemplo de ciencia colaborativa”, afirma el Dr. Brad Boyce, científico senior del CINT y coautor del estudio. “Nuestras ideas sobre cómo diseñar nuevos materiales adaptando propiedades a nanoescala están madurando como resultado de la capacidad de imitar 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 con sede 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.
