Durante décadas se ha sabido que existen patrones químicos sutiles en las aleaciones metálicas, pero los investigadores creían que eran demasiado insignificantes como para ser relevantes, o que se borraban durante la fabricación. Sin embargo, estudios recientes han demostrado que, en entornos de laboratorio, estos patrones pueden alterar las propiedades de un metal, como su resistencia mecánica, durabilidad, capacidad térmica, tolerancia a la radiación, etc.

Ahora, investigadores del MIT han descubierto que estos patrones químicos también existen en metales fabricados convencionalmente. Este sorprendente hallazgo reveló un nuevo fenómeno físico que explica la persistencia de estos patrones.

En un artículo publicado hoy en Nature Communications, los investigadores describen cómo rastrearon los patrones y descubrieron la física que los explica. Los autores también desarrollaron un modelo simple para predecir patrones químicos en metales y muestran cómo los ingenieros podrían usarlo para ajustar el efecto de dichos patrones en las propiedades metálicas, para su uso en la industria aeroespacial, semiconductores, reactores nucleares y más.

“La conclusión es: Nunca se pueden aleatorizar completamente los átomos de un metal. No importa cómo se procese”, afirma Rodrigo Freitas, profesor adjunto de TDK en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales. “Este es el primer artículo que muestra estos estados de desequilibrio que se conservan en el metal. Actualmente, este orden químico no es algo que controlemos ni tengamos en cuenta al fabricar metales”.

Para Freitas, investigador en sus inicios profesionales, los hallazgos justifican la exploración de un campo abarrotado que, según él, pocos creían que conduciría a resultados únicos o de amplio impacto. Agradece a la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea de los Estados Unidos, que apoyó el trabajo a través de su Programa de Jóvenes Investigadores. También reconoce el esfuerzo colaborativo que posibilitó el artículo, que cuenta con tres estudiantes de doctorado del MIT como coautores principales: Mahmudul Islam, Yifan Cao y Killian Sheriff.

“Me preguntaba si debería siquiera abordar este problema específico, ya que se ha trabajado en él durante mucho tiempo”, dice Freitas. “Pero cuanto más aprendía sobre él, más veía que los investigadores lo consideraban en escenarios de laboratorio idealizados. Queríamos realizar simulaciones lo más realistas posible para reproducir estos procesos de fabricación con alta fidelidad. Lo que más me gustó de este proyecto es lo poco intuitivos que son los hallazgos. El hecho de que no se pueda mezclar algo completamente, nadie lo vio venir”.

De las sorpresas a las teorías

El equipo de investigación de Freitas partió de una pregunta práctica: ¿A qué velocidad se mezclan los elementos químicos durante el procesamiento de metales? La creencia popular sostenía que llega un punto en el que la composición química de los metales se vuelve completamente uniforme tras la mezcla durante la fabricación. Al encontrar ese punto, los investigadores pensaron que podrían desarrollar una forma sencilla de diseñar aleaciones con diferentes niveles de orden atómico, también conocido como orden de corto alcance.

Los investigadores utilizaron técnicas de aprendizaje automático para rastrear millones de átomos mientras se movían y reorganizaban en condiciones que imitaban el procesamiento del metal.

“Lo primero que hicimos fue deformar una pieza de metal”, explica Freitas. “Es un paso común durante la fabricación: se lamina el metal, se deforma, se calienta de nuevo y se deforma un poco más, para que desarrolle la estructura deseada. Lo hicimos siguiendo el orden químico. La idea era que, al deformar el material, se rompieran sus enlaces químicos, lo que aleatoriza el sistema. Estos violentos procesos de fabricación básicamente reorganizan los átomos”.

Los investigadores se toparon con un obstáculo durante el proceso de mezcla: las aleaciones nunca alcanzaron un estado completamente aleatorio. Esto fue una sorpresa, ya que ningún mecanismo físico conocido podía explicar el resultado.

«Apuntó a un nuevo descubrimiento en la física de los metales», escriben los investigadores en el artículo. «Fue uno de esos casos en los que la investigación aplicada condujo a un descubrimiento fundamental».

Para descubrir la nueva física, los investigadores desarrollaron herramientas computacionales, incluyendo modelos de aprendizaje automático de alta fidelidad, para capturar las interacciones atómicas, junto con nuevos métodos estadísticos que cuantifican cómo cambia el orden químico con el tiempo. Posteriormente, aplicaron estas herramientas en simulaciones de dinámica molecular a gran escala para rastrear cómo se reorganizan los átomos durante el procesamiento.

Los investigadores encontraron algunas configuraciones químicas estándar en los metales procesados, pero a temperaturas más altas de lo normal. Aún más sorprendente, descubrieron patrones químicos completamente nuevos, nunca vistos fuera de los procesos de fabricación. Esta fue la primera vez que se observaron tales patrones. Los investigadores se refirieron a estos patrones como "estados alejados del equilibrio".

Los investigadores también construyeron un modelo simple que reproducía las características clave de las simulaciones. El modelo explica cómo los patrones químicos surgen de defectos conocidos como dislocaciones, que son como garabatos tridimensionales dentro de un metal. A medida que el metal se deforma, estos garabatos se deforman, reorganizando los átomos cercanos en el proceso. Anteriormente, los investigadores creían que la reorganización borraba por completo el orden en los metales, pero descubrieron que las dislocaciones favorecen algunos intercambios atómicos sobre otros, lo que no resulta en aleatoriedad, sino en patrones sutiles que explican sus hallazgos.

“Estos defectos tienen preferencias químicas que guían su movimiento”, dice Freitas. “Buscan vías de baja energía, así que, si se les da la opción de romper enlaces químicos, tienden a romper los más débiles, y no es completamente aleatorio. Esto es muy emocionante porque se trata de un estado de desequilibrio: no es algo que se vería de forma natural en los materiales. Es igual que nuestros cuerpos viven en desequilibrio. La temperatura exterior siempre es más alta o más baja que la de nuestros cuerpos, y mantenemos ese equilibrio estable para sobrevivir. Por eso existen estos estados en el metal: el equilibrio entre un impulso interno hacia el desorden y esta tendencia a romper ciertos enlaces que siempre son más débiles que otros”.

Aplicando una nueva teoría

Los investigadores ahora exploran cómo se desarrollan estos patrones químicos en una amplia gama de condiciones de fabricación. El resultado es un mapa que vincula los distintos pasos del procesamiento del metal con diferentes patrones químicos en el metal.

Hasta la fecha, este orden químico y las propiedades que regula se han considerado en gran medida un tema académico. Con este mapa, los investigadores esperan que los ingenieros puedan empezar a considerar estos patrones como palancas de diseño que pueden accionarse durante la producción para obtener nuevas propiedades.

“Los investigadores han estado estudiando cómo estas disposiciones atómicas modifican las propiedades metálicas; una de las más importantes es la catálisis”, afirma Freitas sobre el proceso que impulsa las reacciones químicas. “La electroquímica se produce en la superficie del metal y es muy sensible a las disposiciones atómicas locales. Además, se han observado otras propiedades que no se cree que se vean afectadas por estos factores. El daño por radiación es otro factor importante. Esto afecta el rendimiento de estos materiales en los reactores nucleares”.

Los investigadores ya le han dicho a Freitas que el artículo podría ayudar a explicar otros hallazgos sorprendentes sobre las propiedades metálicas, y está entusiasmado por que el campo pase de la investigación fundamental sobre el orden químico a un trabajo más aplicado.

“Se pueden imaginar áreas donde se necesitan aleaciones muy optimizadas, como la aeroespacial”, dice Freitas. “Se preocupan por composiciones muy específicas. La fabricación avanzada ahora permite combinar metales que normalmente no se mezclarían por deformación. Comprender cómo se mezclan los átomos en esos procesos es crucial, ya que es la clave para ganar resistencia manteniendo la baja densidad. Por lo tanto, esto podría ser muy importante para ellos”.

Este trabajo fue financiado, en parte, por la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea de EE. UU., MathWorks y el Programa MIT-Portugal.

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