Un nuevo método de orientación del crecimiento cristalino manipula las propiedades de los materiales
Descubren un método eficaz para controlar la orientación del monocristal
El Dr. Hande Ozcan, doctorando en ciencia e ingeniería de materiales de la Universidad A&M de Texas, y el Dr. Ibrahim Karaman, jefe de departamento y catedrático de Chevron, han descubierto un nuevo método para hacer crecer monocristales y controlar simultáneamente su orientación sin necesidad de fundirlos.
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El descubrimiento de este nuevo método de crecimiento y control de la orientación de cristales en estado sólido se ha publicado recientemente en la revista Acta Materialia. El trabajo de investigación se centra en el crecimiento de grandes monocristales y su capacidad para cambiar su orientación cristalográfica. La orientación cristalográfica describe la alineación de los cristales dentro de una muestra a granel.
"Llevamos tres décadas trabajando con monocristales, pero cultivarlos mediante fundición y controlar su orientación ha sido todo un reto", explica Karaman. "El método descubierto por Hande nos ahorra mucho tiempo y ofrece más flexibilidad. Hay más por explorar; eso es lo que nos entusiasma de este nuevo método".
Según el trabajo de investigación, controlar el tamaño, la forma y la orientación cristalográfica de los monocristales es vital para explotar las propiedades deseadas. Según Ozcan, este método es importante para aplicaciones que requieren materiales con propiedades anisótropas.
"Este mecanismo permite que estos materiales cambien su orientación en estado sólido sin necesidad de engorrosas y costosas técnicas de procesamiento por fusión. Esto es importante porque estos materiales presentan propiedades diferentes cuando tienen distintas direcciones cristalográficas", dijo Ozcan.
Por primera vez, Ozcan ha visto que las orientaciones cristalográficas pueden cambiarse a esta gran escala.
"Esto podría cambiar radicalmente la forma en que observamos los monocristales y manipulamos las propiedades de los materiales, porque con los métodos de estado sólido no sólo podemos cultivar grandes monocristales con mucha facilidad, sino que al mismo tiempo podemos jugar con su orientación cristalográfica", afirma Ozcan.
Los monocristales son esenciales para la microelectrónica, los cristales ópticos, los dispositivos magnéticos, las células solares, los componentes piezoeléctricos y las aleaciones multifuncionales. Un ejemplo de uso específico de estos materiales son las aleaciones multifuncionales con memoria de forma. Estos materiales pueden cambiar de forma y recuperarse al aplicar calor o tensión.
"Por ejemplo, se puede deformar el material al aplicarle una carga, pero al soltarlo recupera su forma original", explica Ozcan.
Estas propiedades dependen en gran medida de la orientación del monocristal; algunas orientaciones presentan esta recuperación de forma perfecta, y otras no. Así pues, el control de la orientación es fundamental para obtener propiedades funcionales superiores.
Otra ventaja de esta técnica, según el artículo de investigación, es que no requiere equipos complejos y caros.
Tradicionalmente, las técnicas de crecimiento por fusión, denominadas procesos Bridgman y Czochralski, se utilizan para obtener cristales grandes con una orientación preferida. Sin embargo, controlar la orientación del cristal sigue siendo un reto.
Estos métodos dependen de la disponibilidad de cristales semilla adecuados, de una nucleación precisa y del control del perfil térmico durante el procesamiento.
Debido a esta complejidad, estos métodos son muy caros. El nuevo método se denomina técnica de crecimiento de cristales en estado sólido (SSCG, por sus siglas en inglés), un método con el que se pueden fabricar grandes cristales masivos con diferentes orientaciones cristalográficas con tratamientos térmicos sencillos.
En este proceso, los cristales producidos son más versátiles y pueden alcanzar una mayor homogeneidad química que en las técnicas de crecimiento por fusión utilizadas tradicionalmente.
El equipo de investigación de Texas A&M demostró el método SSCG en dos sistemas de aleaciones, FeMnAlNi y CuMnAl, y consiguió cambios de orientación repetidos y masivos en estado sólido.
Estos hallazgos ofrecen una nueva estrategia para manipular la orientación de grandes monocristales a la carta y aprovechar sus propiedades superiores y altamente anisótropas, según el artículo de investigación.
"Este proceso funciona con materiales que presentan precipitados semicoherentes y regiones bifásicas en su diagrama de fases", explica Ozcan. "Cuando el material pasa varias veces de temperaturas altas a bajas en una región bifásica, los precipitados se nuclean, se disuelven y dejan límites subgranulares. A continuación, los granos empiezan a crecer, disminuyendo el exceso de energía de los límites subgranulares. Estos granos siguen creciendo y fusionándose y, finalmente, se obtiene un cristal único".
Cuando continúas ciclando el material después de que se convierta en un cristal único, no hay otras formas de reducir el exceso de energía en el sistema, y se activa un mecanismo que cambia su orientación cristalográfica.
"En realidad descubrimos esta técnica mientras trabajábamos en otra cosa. No teníamos como objetivo específico cambiar la orientación cristalográfica", explica Ozcan. "Simplemente estábamos trabajando en el crecimiento de grandes cristales individuales".
Durante ese proceso, Ozcan y el equipo descubrieron que, en unos pocos ciclos, las aleaciones se convertían en monocristales y, con ciclos adicionales, se dio cuenta de que la orientación de los monocristales empezaba a cambiar por completo.
"Le mostré los resultados al Dr. Karaman y me quedé entusiasmada", explica. Después empezamos a entender qué ocurría y por qué cambiaba la orientación de los cristales; probamos distintos métodos y programas de procesamiento para manipular este cambio".
Este descubrimiento abrirá nuevos campos de investigación. Esto no es más que el principio de este apasionante camino hacia la búsqueda de nuevos materiales".
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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