Diseño de materiales con propiedades extraordinarias mediante la aplicación de deformaciones elásticas

Dr. Teresa Pérez Prado: Physical Metallurgy Group (IMDEA Materials Institute)

En un banquete de la Sociedad Americana de Física, el 29 de Diciembre de 1959, Richard Feynman pronunció su ya mundialmente famosa conferencia titulada “There is plenty of room at the bottom”. Por aquel entonces ya concebía un mundo en el que los 24 volúmenes de la Encyclopedia Britannica se podrían escribir en la cabeza de un alfiler mediante un microscopio electrónico. Además, pronosticó que, en el mundo de lo muy pequeño, estudiado actualmente en el ámbito de la Nanociencia y la Nanotecnología, se descubrirían fenómenos singulares que en aquel momento eran impredecibles.

Feynman probablemente se alegraría de saber que, efectivamente, algunos de esos fenómenos están generando nuevos paradigmas en la fabricación de materiales en el siglo XXI. Entre ellos, el que nos ocupa en este artículo es el diseño de nuevos materiales mediante la aplicación de grandes deformaciones elásticas. Esta metodología se basa en el concepto de que los materiales nanoestructurados (láminas delgadas, membranas monoatómicas, nanohilos, nanopartículas, nanocompuestos, materiales masivos nanocrystalinos) tienen en general resistencias mecánicas elevadísimas y, por tanto, son capaces de soportar tensiones muy elevadas sin deformarse plásticamente y sin romperse.

Por tanto, es posible generar en estos materiales campos de deformaciones elásticas de mayor magnitud que en materiales convencionales, dando así lugar a variaciones en sus parámetros de red anormalmente grandes o a transformaciones de fases que, a su vez, originan cambios dramáticos en sus propiedades funcionales (electrónicas, magnéticas, ópticas, termoeléctricas o catalíticas). Dado que el campo de deformaciones elásticas posee 6 dimensiones, incluyendo componentes de tracción y de cizalla, se dispone de gran flexibilidad para controlar las propiedades; algo equivalente a lo que se podría hacer modificando la composición de una aleación de 7 elementos. Los fundamentos básicos de la llamada “ingeniería de deformaciones elásticas” se han revisado recientemente en un artículo de la revista MRS Bulletin (J. Li, Z. Shan, E. Ma, MRS Bulletin, 39 (2014) 108), del que se ha extraído la imágen para este artículo.

Uno de los logros de la ingeniería de deformaciones elásticas con más éxito comercial es la tecnología del silicio deformado, gracias a la cual se vienen obteniendo desde hace años incrementos dramáticos en la movilidad de los portadores. Más recientemente, se ha conseguido aumentar la temperatura de transición superconductora crítica y el campo magnético crítico de microhilos de Nb mediante la aplicación de deformaciones elásticas de tracción próximas al 3%. Éstos y otros ejemplos notables están descritos en el artículo mencionado anteriormente.

Recientemente un equipo del Instituto IMDEA Materiales ha logrado fabricar titanio y circonio puros con un comportamiento ferromagnético a temperatura ambiente originado por la presencia de elevadas deformaciones elásticas en estructuras nanocristalinas masivas de estos materiales producidas mediante torsión a alta presión (C.M. Cepeda-Jimenez, A. Hernando, J.M. Barandiarán, M.T. Pérez-Prado, Scripta materialia 18 (2016) 41). A pesar de que las imanaciones de saturación logradas son aún pequeñas, varios órdenes de magnitud inferiores a la del hierro, este estudio proporciona evidencia sólida acerca de la enorme versatilidad y potencial de la ingeniería de deformaciones elásticas para diseñar materiales con propiedades extraordinarias. De hecho, hasta la fecha, sólo se conocían cuatro metales puros con comportamiento ferromagnético a temperatura ambiente (Fe, Co, Ni, Gd). El más joven de todos ellos, el Gd, fue descubierto hace ya 100 años.