Los metales son uno de los materiales más utilizados en el mundo construido moderno: se encuentran en todo, desde edificios y aeronaves hasta teléfonos inteligentes. Aunque la mayoría de los metales se extraen de la tierra, los científicos han creado recientemente en el laboratorio una nueva generación de metales. Estos llamados vidrios metálicos masivos tienen propiedades únicas. Son más resistentes y duros que los metales convencionales, pero pueden moldearse como los plásticos. Esto resulta asombroso. ¿Qué explica sus características especiales?
A simple vista, estos materiales fabricados en laboratorio parecen metales corrientes, pero son más lisos y muy brillantes. El secreto de sus propiedades inusuales está en su estructura a escala atómica. Mis colegas (de UdS y OSU) y yo llevamos a cabo una nueva investigación utilizando luz de rayos X de alta energía para desentrañar algunos de sus misterios. Hemos identificado la relación entre la estructura a escala atómica de los vidrios metálicos masivos y su flujo viscoso a escala visible: en esencia, lo que les permite fluir como miel espesa o agua ligera.
Superresistentes y también capaces de fluir
Los vidrios metálicos masivos están compuestos por varios elementos, entre ellos circonio, cobre, níquel, aluminio, oro y platino. Presentan una resistencia muy elevada. Si se desgarra, dobla o presiona una pieza de uno de estos metales, es tan resistente que resulta muy difícil deformarla permanentemente. Puede almacenar mucha más energía de deformación que cualquier otro metal, lo que lo convierte en un material ideal para fabricar resortes.
Pero lo que hace únicos a los vidrios metálicos masivos es que su gran resistencia se combina con la capacidad de fluir como un líquido espeso cuando se encuentran en un estado líquido sobreenfriado especial, al que los metales corrientes no pueden llegar. Al calentarlos hasta cierto intervalo de temperatura, fluyen como un líquido viscoso. Esto permite moldear estos metales especiales mediante procesos de conformado en caliente que suelen utilizarse con los vidrios y plásticos tradicionales. En principio, incluso se puede soplar el metal como se hace con el vidrio para botellas.
Todos los metales de la naturaleza tienen una disposición regular y repetitiva de átomos, apilados de forma casi uniforme en una red tridimensional. En cambio, estos vidrios metálicos masivos fabricados en laboratorio tienen una disposición atómica más o menos aleatoria. Esto se debe a que se producen enfriando el material líquido calentado con tanta rapidez que los átomos quedan «congelados» en sus posiciones actuales; así se mantiene la estructura amorfa de un líquido.
Los metales normales presentan ciertos defectos que existen ampliamente en su estructura cristalina regular. Cuando se aplica una fuerza, esos defectos ayudan a que los planos de átomos ordenados se deslicen unos sobre otros; por eso, estas aleaciones pueden deformarse permanentemente con bastante facilidad. Esto no ocurre en los vidrios metálicos masivos, pues sus átomos están mezclados, no organizados en una retícula ordenada. Su estructura les permite resistir una deformación o fuerza mucho mayor antes de que su forma cambie permanentemente.
Pero lo verdaderamente inusual de los vidrios metálicos masivos es su capacidad para fluir como un líquido espeso en su estado líquido sobreenfriado: un estado único en el que pueden permanecer con bastante estabilidad, pero al que los metales convencionales casi no pueden llegar. Para llevar un vidrio metálico masivo a este estado inusual, se calienta hasta cierto intervalo de temperatura —por lo general, algo más de dos tercios del camino hasta su punto de fusión—, llamado región líquida sobreenfriada. El aumento de la temperatura descongela los átomos, que así pueden moverse. Se comportan como un líquido, pero muy espeso y de flujo lento. Al aprovechar esta región especial de flujo viscoso, los científicos pueden dar forma a las geometrías de los vidrios metálicos masivos y convertirlas en formas complejas, por ejemplo, mediante el «moldeo por soplado», algo que otros métodos de procesamiento de metales no pueden lograr.
Estas propiedades especiales hacen que los vidrios metálicos masivos resulten muy atractivos para aplicaciones en electrónica de consumo. En 2010, el gigante tecnológico Apple firmó un acuerdo exclusivo con Liquidmetal Technologies para utilizar vidrios metálicos masivos en sus productos, y la propia Apple sigue presentando patentes sobre el nuevo material. El fabricante de relojes de lujo Swatch Group ya ha utilizado estos metales inusuales en su marca de alta gama, Omega. Estos fabricantes valoran su resistencia y la posibilidad de moldearlos en formas complejas y precisas para componentes pequeños.
Póngase las gafas de rayos X
Ha sido un gran enigma por qué los vidrios metálicos masivos pueden ser viscosos. ¿Y qué hace que algunas composiciones sean más viscosas que otras? Para investigarlo, utilizamos una fuente de luz de rayos X extremadamente intensa para observar los materiales a escala nanométrica —una milmillonésima parte de un metro—. Queríamos observar cómo se organizan los átomos.
Utilizamos el acelerador de partículas PETRA III de DESY, la fuente de radiación más brillante del mundo, para generar la luz. El haz de rayos X no solo es miles de millones de veces más brillante que la luz utilizada en hospitales, universidades o laboratorios industriales, sino que también está extremadamente enfocado y tiene una longitud de onda muy corta. Una luz así puede detectar incluso pequeños cambios en las posiciones atómicas. El proceso de detección es lo bastante rápido como para que podamos seguir los cambios estructurales cada segundo mientras aumentamos la temperatura grado a grado.
Mis colegas y yo descubrimos que la disposición atómica de los líquidos que forman vidrios metálicos masivos presenta bastante orden en distancias de alrededor de un nanómetro. A medida que aumenta la temperatura, la estructura se expande mucho más rápido en algunas distancias que en otras, y lo hace de manera desigual. Más interesante aún, los átomos situados a ciertas distancias son más «importantes» que otros, porque desempeñan un papel clave en la capacidad de flujo viscoso.
Determinamos que la distancia clave equivale aproximadamente a tres o cuatro diámetros atómicos. Si los átomos de un vidrio metálico masivo se organizan de tal modo que el volumen local a su alrededor, en esa distancia clave, se expande más rápido al subir la temperatura que en otro vidrio metálico masivo, su líquido sobreenfriado es mucho más «ligero» o fluye con más facilidad que el del otro.
Esto revela el origen de la capacidad de flujo viscoso en la estructura a escala atómica y explica qué disposición atómica puede hacer que una composición sea más viscosa que otra. Cuanto más lentamente desarrollan los átomos su orden complejo particular a la distancia crucial de tres o cuatro diámetros atómicos, más viscoso es el material. Con este conocimiento de la estructura, es posible predecir la viscosidad a partir de la disposición atómica de un vidrio metálico masivo y simular por computadora el movimiento de sus átomos, antes de fabricarlo en un laboratorio.
Nuestro hallazgo sugiere cómo podríamos, en el futuro, adaptar las propiedades deseadas mediante el diseño de estructuras a escala atómica en esta nueva generación de metales.
Este artículo se publica en colaboración con The Conversation. Lee el artículo original. La publicación no implica que el Foro Económico Mundial respalde estas opiniones.
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Autor: Shuai Wei es investigador posdoctoral Feodor Lynen en el Departamento de Química y Bioquímica de la Universidad Estatal de Arizona.
Imagen: ¿Qué propiedades permiten que los metales fabricados en laboratorio fluyan como líquidos (como en esta obra de arte digital)? Balakanu, CC BY-ND
