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Microscopios y modelos matemáticos versus magia metalúrgica

Optimizar la creación de aleaciones

por Fermín Capella30/05/1999
Durante siglos los alquimistas primero y los metalúrgicos después han intentado reforzar los metales combinándolos entre si: creando por ensayo y error aleaciones de dos o más metales con la esperanza de producir un material más fuerte, ligero y más maleable
Hasta hoy, el proceso de crear nuevas aleaciones se ha realizado de manera empírica, partiendo de experiencias más o menos similares, y pese a ello se han logrado éxitos notables, como la creación de las aleaciones de aluminio y titanio empleadas en la construcción aeronáutica y otras. Pero ¿es posible que los científicos desarrollen un modelo matemático para crear las aleaciones más fuertes y ligeras posibles?.

Identificando átomos

Usando un nuevo microscopio electrónico, investigadores de la John Hopkins University de Baltimore y de la Northwestern University de Chicago están estudiando cómo se conectan los átomos individuales en una aleación y cómo cambian estas conexiones cuando se conforma el metal. Con esta información pueden ser capaces de desarrollar un modelo matemático para la creación de aleaciones.
El microscopio electrónico en John Hopkins envía una corriente de electrones a través de un átomo y después a través de un filtro prismático. Midiendo las diferencias de ángulo de reacción de los electrones, los investigadores pueden identificar el átomo en cuestión.

Cada átomo en su lugar

Las dos universidades citadas están trabajando en nuevos materiales con una subvención de la U. S. Air Force para su uso en aviónica. El primer paso, según Kevin Hemker de Hopkins es el de identificar los átomos y sus conexiones cristalinas dentro de la aleación. Para ello, el equipo de Hemker usa un microscopio electrónico con una pistola de emisión de campo, desarrollada por Philips Electro Optics.
Aunque hay hasta dos docenas de microscopios electrónicos en el país, es esta pistola la que hace especial al de Hopkins. La pistola envía un haz extremadamente estrecho de electrones -de menos de un nanómetro- a través de un solo átomo y a continuación a través del prisma. Los electrones que pasan a través del átomo se ralentizan de manera considerable y los caminos de los electrones más lentos se alteran mucho más que los de los que no han pasado por el átomo. Midiendo estos cambios, el equipo puede identificar el átomo bajo examen.

Se está estudiando cómo se conectan los átomos individuales en una aleación y cómo cambian estas conexiones cuando se dobla el metal.

El siguiente paso es ver cómo se disponen los propios átomos en cristales y como interaccionan éstos cuando el metal se conforma

La interacción de los cristales

El siguiente paso es el estudio de cómo se disponen los propios átomos en cristales y como interaccionan estos cristales cuando el metal se dobla o se conforma en un objeto. Doblar un objeto causa defectos en los cristales denominados dislocación. Estas dislocaciones son difíciles de corregir.
Por ejemplo, doblar un alambre es relativamente fácil, pero intentar devolverlo a la forma que tenía antes es mucho más difícil. Esto es debido a que los átomos se empacan más estrechamente alrededor de donde se dobló y no están dispuestos a desdoblarse luego.
El equipo de John Hopkins planea estudiar distintas aleaciones -aluminio-titanio y cobre-oro- para ver no sólo como están formadas a nivel atómico, sino también cómo resultan afectadas sus estructuras atómicas cuando el material se dobla.

Matemáticas y metalurgia

Identificar y alterar átomos individuales en una aleación es una cosa, pero pensar qué hacer con la información es algo distinto. Aquí es donde entra el Materials Research Center de la Northwestern en acción. Un equipo de investigadores dirigido por el profesor Art Freeman ha estado preparando modelos de ordenador de distintas aleaciones para mostrar cómo las distorsiones recomponen la celosía cristalina de los átomos. Usando valores matemáticos para cada aleación, compararán estos hallazgos con los resultados de Hemker.
"Si están de acuerdo con nuestras predicciones- dice el Prof. Freeman- diremos OK, la teoría estará realmente desarrollada y en el camino correcto. Si no, deberemos volver atrás y averiguar que suposiciones eran las incorrectas"
Al final, esperan crear un sistema puramente matemático para determinar qué átomos crearán las mejores aleaciones. Después de siglos, los sistemas metalúrgicos de ensayo y error darán paso a simulaciones de ordenador de nuevas y prometedoras aleaciones. Se podrá ver cómo cualquier elemento introducido en una estructura de aleación la modifica.
Con millones de combinaciones posibles, los científicos esperan hallar eventualmente la aleación perfecta: más fuerte que el acero, más ligera que una pluma.

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