Descubren metal que se agrietó y volvió a fusionarse solo
Científicos describieron este miércoles (18.07.2023) cómo piezas de platino y cobre puros curaban espontáneamente las grietas causadas por el metal estudiando cómo se forman y propagan dichas grietas en el metal sometido a tensión. Expresaron su optimismo ante la posibilidad de incorporar esta capacidad a los metales para crear máquinas y estructuras autorreparadoras en un futuro relativamente próximo.
La fatiga del metal se produce cuando éste –incluidas piezas de máquinas, vehículos y estructuras– sufre grietas microscópicas tras exponerse a tensiones o movimientos repetidos, daños que tienden a agravarse con el tiempo. La fatiga del metal puede provocar fallos catastróficos en ámbitos como la aviación (motores a reacción, por ejemplo) y las infraestructuras (puentes y otras estructuras).
Metal se vuelve a fusionar: curación “soldadura en frío”
En los experimentos realizados en los Laboratorios Nacionales Sandia de Nuevo México, los investigadores utilizaron una técnica que tiraba de los extremos de las diminutas piezas metálicas unas 200 veces por segundo. Al principio se formó una grieta y se extendió. Pero a los 40 minutos del experimento, el metal volvió a fusionarse. Los investigadores llamaron a esta curación “soldadura en frío”.
“La soldadura en frío es un proceso metalúrgico conocido que se produce cuando dos superficies metálicas relativamente lisas y limpias se juntan para reformar los enlaces atómicos”, explica Brad Boyce, científico de materiales de los Laboratorios Nacionales de Sandia, que colaboró en la dirección del estudio publicado en la revista Nature.
Autorreparación ocurre a escala nanométrica
“A diferencia de los robots autorreparadores de la película ‘Terminator’, este proceso no es visible a escala humana. Ocurre a escala nanométrica, y aún no hemos sido capaces de controlar el proceso”, añadió Boyce.
Las piezas de metal tenían unos 40 nanómetros de grosor y unos pocos micrómetros de ancho. Aunque la curación se observó en los experimentos solo en el platino y el cobre, Boyce dijo que las simulaciones indicaban que la autocuración puede producirse en otros metales y que es “totalmente plausible” que aleaciones como el acero puedan exhibir esta cualidad.
“Es posible imaginar materiales adaptados para aprovechar este comportamiento”, afirmó Boyce.
El investigador Ryan Schoell, de los Laboratorios Nacionales Sandia del gobierno estadounidense en Nuevo México, utiliza una técnica especializada de microscopio electrónico de transmisión desarrollada por los científicos Khalid Hattar, Dan Bufford y Chris Barr para estudiar las grietas de fatiga a nanoescala.
“Dados estos nuevos conocimientos, puede haber estrategias alternativas de diseño de materiales o enfoques de ingeniería que podrían idearse para ayudar a mitigar los fallos por fatiga”. Además, estos nuevos conocimientos pueden arrojar luz sobre los fallos por fatiga en estructuras existentes, mejorando nuestra capacidad de interpretar y predecir dichos fallos”, añadió Boyce.
La autocuración se observó en un entorno muy específico utilizando un dispositivo llamado microscopio electrónico.
“Una de las grandes preguntas que deja abiertas el estudio es si el proceso también ocurre en el aire, no sólo en el entorno de vacío del microscopio. Pero incluso si sólo ocurre en el vacío, tiene importantes ramificaciones para la fatiga en vehículos espaciales, o la fatiga asociada a grietas subsuperficiales que no están expuestas a la atmósfera”, dijo Boyce.
Predicción de la autocuración del metal
Los científicos ya han creado algunos materiales autorreparables, sobre todo plásticos. Michael Demkowicz, coautor del estudio y catedrático de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Universidad A&M de Texas, predijo hace una década la autorregeneración del metal.
Demkowicz pensó correctamente que, en determinadas condiciones, someter el metal a tensiones que normalmente deberían empeorar las grietas por fatiga podría tener el efecto contrario.
“Ahora creo que las aplicaciones tangibles de nuestros descubrimientos tardarán otros 10 años en desarrollarse”, afirma Demkowicz.