Al calentar un trozo de hierro, la disposición de sus átomos cambia varias veces antes de que se funda. Este comportamiento inusual es una de las razones por las que el acero, en el que el hierro desempeña un papel protagonista, es tan resistente y ubicuo, desde las teteras hasta los rascacielos. Sin embargo, los detalles de cómo y por qué el hierro adopta tantas formas diferentes han sido un misterio. Un trabajo reciente de la División de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de Caltech aporta pruebas de cómo el magnetismo del hierro influye en esta curiosa propiedad, un conocimiento que podría ayudar a los investigadores a desarrollar un acero mejor y más resistente.
«Los seres humanos llevan miles de años trabajando con el hierro de toda la vida, pero este artículo trata de un aspecto de su termodinámica que nadie ha llegado a comprender realmente», afirma Brent Fultz, profesor Barbara and Stanley R. Rawn, Jr., de Ciencia de los Materiales y Física Aplicada.
Las leyes de la termodinámica rigen el comportamiento natural de los materiales, como la temperatura a la que hierve el agua y el momento en que se producen las reacciones químicas. Estos mismos principios también determinan cómo se ordenan los átomos en los sólidos y, en el caso del hierro, la naturaleza cambia de parecer varias veces a altas temperaturas. A temperatura ambiente, los átomos de hierro presentan una disposición abierta e inusualmente poco compacta; cuando el hierro se calienta por encima de los 912 grados Celsius, los átomos se compactan más, antes de volver a separarse a los 1.394 grados Celsius y, finalmente, fundirse a los 1.538 grados Celsius.
El hierro es magnético a temperatura ambiente, y estudios anteriores predecían que su magnetismo favorece su estructura abierta a bajas temperaturas, pero a los 770 grados Celsius el hierro pierde su magnetismo. Sin embargo, conserva su estructura abierta durante más de cien grados por encima de esta transición magnética. Esto llevó a los investigadores a pensar que debía haber algo más que contribuyera a las inusuales propiedades termodinámicas del hierro.
Para encontrar este eslabón perdido, la estudiante de posgrado Lisa Mauger y sus colegas tuvieron que subir la temperatura. Los sólidos almacenan calor como pequeñas vibraciones atómicas, que generan desorden o entropía. A altas temperaturas, la entropía domina la termodinámica, y las vibraciones atómicas son la mayor fuente de entropía en el hierro. Al estudiar cómo cambian estas vibraciones al aumentar la temperatura y perderse el magnetismo, los investigadores esperaban averiguar más sobre qué impulsa estas reorganizaciones estructurales.
Para ello, el equipo llevó sus muestras de hierro a la línea de luz del High Pressure Collaborative Access Team, en la Advanced Photon Source del Laboratorio Nacional de Argonne, en Argonne, Illinois. Esta instalación sincrotrón produce intensos destellos de rayos X que pueden ajustarse para detectar las partículas cuánticas de vibración atómica —llamadas excitaciones de fonones— en el hierro.
Al combinar estas mediciones de vibraciones con datos ya conocidos sobre el comportamiento magnético del hierro a estas temperaturas, los investigadores descubrieron que la entropía vibracional del hierro era mucho mayor de lo que se había supuesto inicialmente. De hecho, el exceso era similar a la contribución de la entropía del magnetismo, lo que sugiere que el magnetismo y las vibraciones atómicas interactúan de forma sinérgica a temperaturas moderadas. Esta entropía adicional aumenta la estabilidad de la estructura abierta del hierro incluso cuando la muestra se calienta por encima de la transición magnética.
La técnica permitió a los investigadores concluir, de forma experimental y por primera vez, que los magnones —las partículas cuánticas del espín del electrón (magnetismo)— y los fonones interactúan para aumentar la estabilidad del hierro a altas temperaturas.
Como las mediciones del grupo de Caltech coincidieron con los cálculos teóricos que colaboradores del laboratorio de Jörg Neugebauer en el Max-Planck-Institut für Eisenforschung GmbH (MPIE) estaban desarrollando simultáneamente, los resultados de Mauger también contribuyeron a validar un nuevo modelo computacional.
«Desde hace mucho se especula que la estabilidad estructural del hierro está fuertemente relacionada con un acoplamiento inherente entre el magnetismo y el movimiento atómico», afirma Fritz Körmann, investigador posdoctoral del MPIE y primer autor del artículo computacional. «Encontrar realmente este acoplamiento y comprobar que los datos de nuestros colegas experimentales y nuestros propios resultados computacionales concuerdan tan extraordinariamente fue, sin duda, un momento emocionante».
«Solo al combinar métodos y conocimientos especializados de diversos campos científicos, como la mecánica cuántica, la mecánica estadística y la termodinámica, y al utilizar supercomputadoras increíblemente potentes, fue posible describir los complejos fenómenos dinámicos que tienen lugar dentro de uno de los materiales estructurales más utilizados tecnológicamente», afirma Neugebauer. «La nueva comprensión de cómo se alcanza la estabilidad termodinámica en el hierro ayudará a diseñar nuevos aceros de forma más sistemática».
Durante miles de años, los metalúrgicos han trabajado para fabricar aceros más resistentes de manera muy parecida a como se intentaría desarrollar la receta de la mejor galleta del mundo: a base de prueba y error. El acero parte de una base de ingredientes estándar —hierro y carbono—, igual que una masa básica para galletas parte de harina y mantequilla. Y, del mismo modo que se personaliza una receta de galletas variando las cantidades de otros ingredientes, como especias y frutos secos, las propiedades del acero pueden ajustarse añadiendo cantidades variables de otros elementos, como cromo y níquel.
Con un mejor modelo computacional de la termodinámica del hierro a distintas temperaturas —que tenga en cuenta los efectos tanto del magnetismo como de las vibraciones atómicas—, los metalúrgicos podrán ahora predecir con mayor precisión las propiedades termodinámicas de las aleaciones de hierro mientras modifican sus recetas.
Este artículo se publica en colaboración con Caltech. La publicación no implica que el Foro Económico Mundial respalde estas opiniones.
Para mantenerse al día con la Agenda, suscríbase a nuestro boletín semanal.
Autora: Jessica Stoller-Conrad escribe para Caltech.
Imagen: Un empleado trabaja en una planta siderúrgica en Taiyuan, provincia de Shanxi. REUTERS/Stringer
