A lo largo de los años, los científicos saben que se pueden crear pequeños patrones químicos dentro de los áloges metálicos, pero la mayoría supone que estos patrones se han vuelto triviales o han desaparecido durante la producción. Experimentos recientes han demostrado que en condiciones de laboratorio controladas, estos patrones nacionales en realidad pueden afectar la forma en que actúan los metales: su resistencia, durabilidad, resistencia al calor e incluso su capacidad para prevenir la radiación.
Investigadores del MIT han descubierto ahora que estos sistemas químicos finos continúan en los metales fabricados mediante procesos industriales estándar. Una búsqueda inesperada apunta a un nuevo principio físico que explica por qué persisten estos patrones.
Publicado en un estudio ComunicaciónEl equipo del MIT ha detallado cómo identificaron y analizaron los patrones e inauguraron su física potenciada. También han creado un modelo que predice cómo se forman estos patrones; los ingenieros les permiten ajustar cualquier característica metálica para sutilmente cualquier característica metálica para su uso en aplicaciones espaciales, de semiconductores o nucleares.
“La conclusión es que no se pueden asignar átomos metálicos al azar. No se tiene en cuenta cómo se procesan”, explica el profesor asistente del TDK Rodrigo Freitus, del Departamento de Ingeniería y Ciencia de Materiales. “Este es el primer artículo que muestra estos estados no incorrectos que se mantienen en el metal. En este punto, este orden químico no es algo que controlemos o prestemos atención cuando fabricamos metal”.
El descubrimiento del primer investigador de carrera, Freitus, legalizó la decisión de seguir un problema que muchos otros parecían ya haber resuelto. Se le debe la ayuda del Programa de Jóvenes Investigadores de la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea de EE. UU. y los esfuerzos cooperativos de su equipo, incluidos tres estudiantes del MIT (Mahmudul Islam, Yifan Kau y Killian Sheriff), incluidos los autores.
“Tuve que abordar este problema concreto”, afirma Friteus, porque la gente lleva mucho tiempo trabajando en ello. ” “Pero cuanto más aprendí sobre esto, vi a más investigadores pensar en ello en la escena del laboratorio ideal. Queríamos realizar simulaciones lo más realistas posible para reproducir estos procesos de fabricación con alta fidelidad. Mi parte favorita de este proyecto es cómo puedes mezclarlos, la gente no lo ve”.
De la maravilla a la teoría
Freitus y su equipo comenzaron con una pregunta simple: ¿Qué tan rápido se mezclan los ingredientes durante el procesamiento del metal? El pensamiento convencional sugería que llegó un punto en el que el metal se volvió completamente idéntico a nivel atómico durante la producción. Creían que al buscar este punto, la secuencia nuclear de nivel corto podría ayudar a diseñar mezclas con diferentes niveles.
Utilizando herramientas avanzadas de aprendizaje automático, los investigadores simularon cómo se eliminaban y reorganizaban millones de átomos durante el procesamiento del metal.
“Primero hicimos el trabajo de distorsionar una pieza de metal”, explicó Friteus. “Es un paso común en la producción: enrollas el metal, lo calientas nuevamente y lo distorsionas un poco más, para que desarrolle tu estructura favorita. Lo hicimos, lo hicimos y seguimos la disciplina química.
Sin embargo, el metal no se comporta como se esperaba. A pesar del procesamiento extremo, los alogles nunca alcanzan el estado aleatorio. El resultado sorprendió al equipo, ya que una teoría existente no puede explicarlo.
“Esto apuntaba a una nueva pieza de la física del metal”, escribieron los investigadores en un papel. “Fue un caso en el que la investigación aplicada condujo a un descubrimiento fundamental”.
Para explorar más, crearon un modelo de cálculo de alta dependencia para capturar los átomos para medir cómo se desarrolló el orden con el tiempo y capturar métodos estadísticos. Mediante simulaciones de movimiento molecular a gran escala, descubrieron cómo se reestructuraban los átomos durante la distorsión y el calentamiento.
El grupo observó que algunos sistemas nucleares estaban inesperadamente a altas temperaturas y, lo que es más notable, se derivaron patrones completamente nuevos que nunca se habían visto fuera de la producción en el mundo real. Describieron estos patrones como “estados lejanos del estado”.
Luego crearon un modelo simple para reproducir las características clave de las simulaciones. El modelo revela que estos patrones se derivan de los defectos de los metales conocidos como distorsión tridimensional irregular de desplazamiento en las redes nucleares. Cuando el metal se deforma, la dislocación se retuerce y se desplaza, colocando los átomos cercanos en la posición deseada. Anteriormente, los investigadores pensaban que este proceso había destruido todas las secuencias nucleares, pero el equipo del MIT descubrió lo contrario: el desplazamiento en realidad produce patrones sutiles pero estables para algún intercambio nuclear.
“Estos defectos tienen opciones químicas que los guían para que desaparezcan”. “Buscan caminos de baja energía, por lo que al darles una opción en la ruptura de enlaces químicos, tienden a romper los enlaces debilitados y esto no es completamente aleatorio. Es un estado muy emocionante porque no es algo que se ve en los materiales, estamos en nuestros cuerpos, estamos en el metal.
Aplicando una nueva teoría
Los investigadores ahora están explorando cómo estos patrones químicos desarrollan una amplia gama de términos de producción. El resultado es un mapa que conecta varios pasos del procesamiento metálico con varios patrones químicos metálicos.
Hasta hoy, este orden químico y las características que sintonizan han sido considerados principalmente como temas académicos. Con este mapa, los investigadores esperan que los ingenieros puedan empezar a pensar en cómo diseñar estos patrones que puedan sacar provecho de la nueva propiedad durante la producción.
“Los investigadores están estudiando cómo estos sistemas nucleares cambian las características del metal: una gran catálisis”, el proceso que impulsa las reacciones químicas del proceso. “La química electrónica se produce en la superficie del metal y es muy sensible a la disposición atómica local.
Los investigadores ya han informado a Freitus que el artículo puede ayudar a explicar otros resultados maravillosos sobre las propiedades metálicas y está ansioso por pasar de la investigación básica al trabajo de campo hacia trabajos más aplicados a partir de secuencias químicas.
“Se puede pensar en regiones en las que se necesita una combinación muy favorable, como por ejemplo en el espacio”, afirma Friteus. “Se preocupan por composiciones muy específicas. La producción avanzada ahora permite combinar metales que normalmente no se mezclan mediante distorsión. Es importante entender cómo los átomos realmente se agitan y se mezclan en estos procesos, porque es la clave para ganar energía, por lo que puede ser de gran importancia para ellos”.
Este trabajo fue apoyado en algunas partes por la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea de EE. UU., Math Works y el Programa MIT-Portugal.
