CrCoNi: investigadores hallaron el material "más duro de la Tierra"

Investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) y del Laboratorio Nacional Oak Ridge acaban de medir la mayor tenacidad jamás registrada de cualquier material, mientras investigaban una aleación metálica hecha de cromo, cobalto y níquel, denominada CrCoNi,según describen en un estudio, publicado en Science.

El material es impresionantemente fuerte, lo que significa que resiste la deformación permanente, y al mismo tiempo sigue siendo extremadamente dúctil, lo que significa que es muy maleable. Juntas, estas dos propiedades forman la medida de la tenacidad, y el CrCoNi es, con diferencia, el material más duro de la Tierra.

Pero eso no es todo: en contra de lo que rige en la mayoría de los materiales existentes, la resistencia y ductilidad del CrCoNi mejoran a medida que se enfría, lo que sugiere un interesante potencial para aplicaciones en entornos criogénicos extremos.

"Cuando se diseñan materiales estructurales, se busca que sean fuertes, pero también dúctiles y resistentes a la fractura", explica el metalúrgico Easo George, titular de la Cátedra del Gobernador para Teoría y Desarrollo de Aleaciones Avanzadas del Laboratorio Nacional Oak Ridge y la Universidad de Tennessee.

"Normalmente, se trata de un compromiso entre estas propiedades. Pero este material tiene ambas, y en lugar de volverse quebradizo a bajas temperaturas, se vuelve más resistente", agregó.

"Extraordinaria tolerancia al daño"

El CrCoNi forma parte de la familia de las aleaciones de alta entropía (HEA), materiales en los que las proporciones de elementos son aproximadamente las mismas. Estas recetas atómicas equilibradas parecen conferir a algunos de estos materiales una combinación extraordinariamente alta de resistencia y ductilidad cuando se someten a tensión, que juntas conforman lo que se denomina "tenacidad", según informa el comunicado de prensa del Berkeley Lab.

Los HEA han sido un área de investigación candente desde que se desarrollaron por primera vez hace unos 20 años –prosigue el comunicado–, pero la tecnología necesaria para llevar los materiales a sus límites en pruebas extremas no estaba disponible hasta hace poco.

Estas imágenes, generadas a partir de microscopía electrónica de barrido, muestran las estructuras de grano y las orientaciones de la red cristalina de (A) las aleaciones CrMnFeCoNi y (B) CrCoNi. (C) y (D) muestran ejemplos de fracturas en CrCoNi a 293 K y 20 K, respectivamente.

Estas imágenes, generadas a partir de microscopía electrónica de barrido, muestran las estructuras de grano y las orientaciones de la red cristalina de (A) las aleaciones CrMnFeCoNi y (B) CrCoNi. (C) y (D) muestran ejemplos de fracturas en CrCoNi a 293 K y 20 K, respectivamente.

El CrCoNi bate todo los récords

El equipo empezó a trabajar con CrCoNi y otra aleación con más manganeso y hierro (CrMnFeCoNi) hace casi una década. Consiguieron llevar las muestras a temperaturas de nitrógeno líquido, lo que reveló que, como materiales, eran bastante buenos. Pero el equipo tardó años en poder probarlos en condiciones más extremas. El CrMnFeCoNi funcionaba bien, pero el CrCoNi era excepcional.

"La tenacidad de este material cerca de las temperaturas del helio líquido (20 grados Kelvin, -424 grados Fahrenheit, -253.3 grados Celsius) alcanza los 500 megapascales metros de raíz cuadrada. En las mismas unidades, la dureza de un trozo de silicio es de uno, la de los fuselajes de aluminio de los aviones de pasajeros es de unos 35, y la de algunos de los mejores aceros ronda los 100. Así que 500 es una cifra asombrosa", añadió Robert Ritchie, codirector de la investigación.

Reconsiderar nociones arraigadas

Para examinar las estructuras reticulares de muestras de CrCoNi, fracturadas a temperatura ambiente y a 20 grados Kelvin, los científicos utilizaron difracción de neutrones, difracción de retrodispersión de electrones y microscopía electrónica de transmisión.

Y, según el comunicado, "las imágenes y los mapas atómicos generados a partir de estas técnicas revelaron que la tenacidad de la aleación se debe a un trío de obstáculos de dislocación que entran en acción en un orden determinado cuando se aplica fuerza al material".

De acuerdo con los científicos, los nuevos hallazgos del equipo obligan a la comunidad científica de materiales a reconsiderar nociones arraigadas sobre cómo las características físicas dan lugar al rendimiento.

"Es divertido porque los metalúrgicos dicen que la estructura de un material define sus propiedades, pero la estructura del NiCoCr es la más simple que se pueda imaginar: son solo granos", explica Ritchie.

"Sin embargo, cuando lo deformas, la estructura se complica mucho, y este cambio ayuda a explicar su excepcional resistencia a la fractura", añadió el coautor Andrew Minor, director de las instalaciones del Centro Nacional de Microscopía Electrónica de la Fundición Molecular del Laboratorio de Berkeley y catedrático de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la UC Berkeley.

El material se está desarrollando ahora para distintas aplicaciones, pero debido al coste de su creación, los investigadores lo consideran actualmente un buen candidato para entornos extremos como el espacio profundo.