Un nuevo método de microscopía ha permitido a los investigadores detectar pequeños cambios en la arquitectura a nivel atómico de materiales cristalinos, como el acero avanzado para cascos de aviones y el silicio personalizado para la electrónica. Las técnicas pueden mejorar nuestra capacidad para comprender los orígenes subyacentes de las propiedades y el comportamiento de los materiales.
En un artículo publicado hoy Materiales naturalesinvestigadores de la Escuela de Ingeniería Aeroespacial, Mecánica y Mecatrónica de la Universidad de Sydney han introducido una nueva forma de decodificar los enlaces atómicos dentro de los materiales.
El avance podría contribuir al desarrollo de aleaciones más resistentes y ligeras para la industria aeroespacial, semiconductores de nueva generación para electrónica y mejores imanes para motores eléctricos. También puede permitir la creación de productos sostenibles, eficientes y asequibles.
La investigación, dirigida por el profesor Simon Ringer, vicerrector adjunto (Infraestructura de investigación) de la Universidad de Sydney, utilizó el poder de la tomografía con sonda atómica (APT) para desentrañar las complejidades del orden de corto alcance (SRO). El proceso SRO es clave para comprender el entorno atómico local necesario para el desarrollo de materiales avanzados que puedan impulsar una nueva generación de aleaciones y semiconductores.
A veces se compara a SRO con un ‘genoma de materiales’, la disposición o disposición de los átomos dentro de un cristal. Esto es importante porque las diferentes disposiciones atómicas espaciales afectan las propiedades electrónicas, magnéticas, mecánicas, ópticas y de otro tipo de los materiales, lo que afecta la seguridad y funcionalidad de una variedad de productos.
Hasta ahora, la medición y cuantificación de SRO ha sido un desafío para los investigadores porque las disposiciones atómicas son tan pequeñas que son difíciles de ver con técnicas de microscopía tradicionales.
El nuevo método que utiliza APT, desarrollado por el equipo del profesor Ringer, supera estos desafíos y allana el camino para avances en la ciencia de materiales, como aceros para cascos de barcos y electrónica, en una variedad de industrias. El silicio personalizado puede tener implicaciones de gran alcance para la salud.
“Nuestra investigación representa un avance importante en la ciencia de los materiales”, afirmó el profesor Ringer, ingeniero de materiales de la Escuela de Ingeniería Aeroespacial, Mecánica y Mecatrónica (AMME).
“Además de la estructura cristalina y la simetría, queríamos saber más sobre las relaciones de vecindad a escala atómica dentro del cristal: ¿son aleatorias o no? Si es lo último, podemos cuantificarlo”. información en detalle, abriendo vastas posibilidades para arreglos átomo por átomo diseñados a medida para lograr las propiedades deseadas”.
Este estudio se centró en compuestos de alta entropía, que son prometedores para diversas aplicaciones de ingeniería avanzada.
“Estas aleaciones son objeto de un gran esfuerzo de investigación en todo el mundo debido a su interés en aplicaciones que requieren resistencia a altas temperaturas, como en motores a reacción y centrales eléctricas, así como en reactores de radiación de neutrones. Para proteger contra la radiación de neutrones irradiación en el reactor, es necesaria una protección contra los daños causados por la radiación”, afirmó el profesor Ringer.
El equipo utilizó la última técnica de ciencia de datos, basándose en datos de APT, una sofisticada técnica de imágenes que visualiza átomos en 3D, lo que permite al equipo observar y medir el SRO comparando cómo cambia en la mezcla bajo diferentes condiciones de procesamiento.
La investigación se centró en observaciones de aleaciones de alta entropía de cobalto, cromo y níquel, mostrando cómo diferentes tratamientos térmicos pueden cambiar la SRO.
“Esto proporciona un modelo para estudios futuros en los que SRO controla propiedades importantes del material. Hay mucho más por hacer en diferentes aspectos del análisis SRO; es un problema difícil, pero es un paso importante”, dijo el profesor Ringer.
El Dr. Mengwe He, investigador postdoctoral en la Escuela de Ingeniería Aeroespacial, Mecánica y Mecatrónica, dijo:
“La capacidad de medir y comprender el orden de corto alcance ha cambiado nuestro enfoque en el diseño de materiales. Nos brinda una nueva perspectiva para ver cómo la arquitectura a nivel atómico. Pequeños cambios pueden conducir a grandes avances en el rendimiento del material”.
Fundamentalmente, este estudio mejora la capacidad de los investigadores para simular, modelar y, en última instancia, predecir computacionalmente el comportamiento de los materiales porque SRO proporciona un modelo detallado a escala atómica.
El Dr. Andrew Breen, investigador postdoctoral principal, afirmó: “Hemos demostrado que existen regímenes en los que la SRO puede medirse mediante tomografía con sonda atómica. No sólo hemos desarrollado un enfoque experimental para medir la SRO y hemos introducido un marco computacional, sino que también hemos desarrollado un análisis de sensibilidad que limita el rango preciso de condiciones bajo las cuales tales mediciones son válidas y donde no lo son.”
El Dr. Will Davids, que completó su doctorado con el profesor Ringer y ahora trabaja para la empresa de ingeniería Infravue, afirmó: “Este es un desarrollo apasionante, ya que hemos demostrado que es posible medir la SRO en mezclas de múltiples componentes, lo que sin duda será beneficioso. “La comunidad científica y de ingeniería ahora quiere aprender cómo ampliar los sistemas SRO, por lo que existe una enorme brecha en este campo de investigación”.
