Sorpresa en el límite del grano
Por primera vez, un equipo internacional de investigación ha podido observar cómo los elementos de soluto introducen nuevas fases en los límites de los granos utilizando las técnicas más avanzadas de microscopía y simulación
Un equipo internacional de investigadores ha observado sistemáticamente cómo los átomos de hierro alteran la estructura de los límites de grano en el titanio. Se encontraron con una sorpresa: "Los átomos de hierro no sólo se segregan en la interfase, sino que forman estructuras tipo jaula totalmente inesperadas", explica el Prof. Dr. Christian Liebscher, del Centro de Investigación de Materiales y Sistemas Energéticos del Futuro de la Alianza Universitaria del Ruhr. Los investigadores no esperaban este comportamiento". Sus hallazgos se han publicado en la revista Science el 25 de octubre de 2024.
Un nuevo tipo de comportamiento de segregación
La mayoría de los materiales tecnológicos tienen una estructura policristalina: están compuestos por diferentes cristales, en los que los átomos se disponen en una red regular. Estos cristales no tienen la misma orientación en todas partes y las interfaces que los separan se conocen como límites de grano. "Estos límites de grano tienen una enorme influencia en la durabilidad y el rendimiento general de un material", afirma el doctor Vivek Devulapalli, que ha realizado el trabajo de microscopía del estudio. Y añade: "Pero tenemos un conocimiento muy limitado de lo que ocurre cuando los elementos se segregan en los límites de grano y cómo influyen en las propiedades de un material".
La clave del éxito fue observar y modelizar las estructuras a resolución atómica. Los investigadores correlacionaron sus resultados de microscopía electrónica de transmisión de barrido de resolución atómica con simulaciones informáticas avanzadas. Un nuevo algoritmo de predicción de la estructura de los límites de grano fue capaz de generar las estructuras observadas experimentalmente y permite estudiar su estructura. "Nuestras simulaciones muestran que, para diferentes contenidos de hierro, siempre encontramos las estructuras en jaula como los bloques de construcción subyacentes de las diferentes fases de límite de grano. A medida que aumenta el nivel de hierro en el límite de grano, aparecen más unidades icosaédricas que acaban aglomerándose", explica el Dr. Enze Chen, de la Universidad de Stanford. Un icosaedro es un objeto geométrico con 12 esquinas o vértices, en este caso ocupados por átomos, y 20 planos.
"Hemos identificado más de cinco estructuras distintas o fases de límite de grano del mismo límite, todas ellas compuestas por diferentes disposiciones de las mismas unidades de jaula icosaédrica", añade el Dr. Timofey Frolov, que dirigió el trabajo computacional del estudio.
Fases cuasicristalinas del límite de grano
Una inspección más detallada de las estructuras de las jaulas reveló que los átomos adoptan una disposición icosaédrica con los átomos de hierro situados en el centro del icosaedro y los átomos de titanio ocupando sus vértices. "Las jaulas icosaédricas permiten un empaquetamiento denso de átomos de hierro y, como pueden formar agrupaciones aperiódicas, en el límite del grano cabe más del doble o el triple de hierro", explica Vivek Devulapalli. "Parece como si el hierro estuviera atrapado en el interior de fases de límite de grano de tipo cuasicristalino", añade Chen. "Esto se atribuye a las propiedades de las jaulas icosaédricas", dice Liebscher, "y ahora tenemos que encontrar la manera de estudiar cómo influyen en las propiedades de la interfaz y con ello en el comportamiento del material."
Nuevas vías para el diseño de materiales
Comprender y controlar la formación de fases icosaédricas en los límites de los granos con estructuras y propiedades diferentes puede servir para adaptar las propiedades de los materiales. Ahora, los investigadores quieren estudiar sistemáticamente cómo pueden utilizarse estos nuevos estados de los límites de grano para ajustar el comportamiento de los materiales, adaptar su funcionalidad y hacerlos más resistentes a los procesos de degradación.
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