Un nuevo método de microscopía ha permitido a los investigadores detectar pequeños cambios en la arquitectura a nivel atómico de los materiales cristalinos, como aceros avanzados para cascos de barcos y silicio personalizado para la electrónica. La técnica podría avanzar nuestra capacidad de comprender los orígenes fundamentales de las propiedades y el comportamiento de los materiales.
En un artículo publicado hoy en Nature Materials, investigadores de la Escuela de Ingeniería Aeroespacial, Mecánica y Mecatrónica de la Universidad de Sydney introdujeron una nueva forma de decodificar las relaciones atómicas dentro de los materiales.
El avance podría ayudar en el desarrollo de aleaciones más fuertes y ligeras para la industria aeroespacial, semiconductores de nueva generación para la electrónica y imanes mejorados para motores eléctricos. También podría permitir la creación de productos sostenibles, eficientes y rentables.
El estudio, dirigido por el Pro-Vicerrector de Infraestructura de Investigación de la Universidad de Sydney, Profesor Simon Ringer, aprovechó el poder de la tomografía de sonda atómica (APT) para desbloquear las complejidades del orden de corto alcance (SRO). El proceso SRO es clave para comprender los entornos atómicos locales esenciales para el desarrollo de materiales innovadores que podrían sustentar una nueva generación de aleaciones y semiconductores.
SRO a veces se compara con el ‘genoma de los materiales’, la disposición o configuración de los átomos dentro de un cristal. Esto es significativo porque las diferentes disposiciones atómicas locales influyen en las propiedades electrónicas, magnéticas, mecánicas, ópticas y otras de los materiales, que tienen una influencia en la seguridad y la funcionalidad de una gama de productos.
Hasta ahora, ha sido un desafío para los investigadores medir y cuantificar SRO porque las disposiciones atómicas ocurren a una escala tan pequeña que son difíciles de ver con las técnicas de microscopía convencionales.
El nuevo método que utiliza APT, desarrollado por el equipo del profesor Ringer, supera estos desafíos, allanando el camino para avances en la ciencia de los materiales que podrían tener implicaciones de gran alcance en los aceros para cascos de barcos y el silicio personalizado para la electrónica en una gama de industrias.
“Nuestra investigación presenta un avance significativo en la ciencia de los materiales”, dijo el profesor Ringer, ingeniero de materiales en la Escuela de Ingeniería Aeroespacial, Mecánica y Mecatrónica (AMME).
“Más allá de la estructura cristalina y la simetría, queríamos saber más sobre las relaciones de vecindad a escala atómica dentro del cristal: ¿son aleatorias o no aleatorias? Si es lo último, queremos cuantificarlo. SRO nos brinda esta información en detalle, abriendo vastas posibilidades para materiales que están diseñados a medida, átomo por átomo, con disposiciones de vecindad específicas para lograr propiedades deseadas como la resistencia”.
El estudio se centró en aleaciones de alta entropía, que son prometedoras para varias aplicaciones de ingeniería avanzadas.
“Estas aleaciones son objeto de un enorme esfuerzo de investigación en todo el mundo debido al interés en utilizarlas en situaciones que requieren resistencia a altas temperaturas, como en motores de reacción y plantas de energía, así como para el blindaje contra irradiación de neutrones en reactores nucleares, donde la protección contra los daños por radiación es necesaria”, dijo el profesor Ringer.
El equipo utilizó técnicas avanzadas de ciencia de datos basadas en datos de APT, una sofisticada técnica de imagen que visualiza los átomos en 3D, lo que permite al equipo observar y medir SRO, comparando cómo cambia en las aleaciones bajo diferentes condiciones de procesamiento.
La investigación se centró en las observaciones de una aleación de alta entropía de cobalto-cromo-níquel, revelando cómo los diferentes tratamientos térmicos pueden cambiar SRO.
“Esto proporciona una plantilla para estudios futuros en los que SRO controla las propiedades de los materiales críticos. Queda mucho por hacer en varios aspectos del análisis de SRO: es un problema difícil, pero este es un paso importante hacia adelante”, dijo el profesor Ringer.
El Dr. Mengwei He, investigador postdoctoral en la Escuela de Ingeniería Aeroespacial, Mecánica y Mecatrónica, dijo:
“La capacidad de medir y comprender el orden de corto alcance ha transformado nuestro enfoque del diseño de materiales. Nos da un nuevo conjunto de ojos para ver cómo los pequeños cambios en la arquitectura a nivel atómico pueden conducir a grandes avances en el rendimiento de los materiales”.
Críticamente, el estudio mejora las capacidades de los investigadores para simular, modelar y, en última instancia, predecir el comportamiento de los materiales mediante el cálculo porque SRO proporciona el plano detallado a escala atómica.
El investigador postdoctoral senior, Dr. Andrew Breen, dijo: “Hemos demostrado que existen regímenes donde el SRO realmente se puede medir utilizando la tomografía de sonda atómica. No solo hemos sido pioneros en un enfoque experimental y un marco computacional para medir SRO, sino que también hemos producido un análisis de sensibilidad que limita el rango preciso de circunstancias en las que tales mediciones son válidas y donde no son válidas”.
El Dr. Will Davids, quien completó su doctorado con el profesor Ringer y ahora trabaja para la firma de ingeniería Infravue, dijo: “Este es un avance emocionante porque hemos demostrado que las mediciones de SRO son posibles en aleaciones multicomponente, lo que sin duda será beneficioso para la comunidad de la ciencia e ingeniería de los materiales. La comunidad ahora querrá aprender cómo expandir aún más el régimen medible de SRO, por lo que se ha abierto un gran espacio en este campo de investigación”.
Divulgación
La investigación fue apoyada por el Programa de Descubrimiento del Consejo de Investigación de Australia (ARC). El equipo también reconoce el apoyo del programa de la Iniciativa de Investigación Universitaria Multidisciplinaria Australia-Estados Unidos (AUSMURI) apoyado por el Gobierno de Australia. El equipo reconoce el apoyo técnico y científico para los experimentos realizados en las siguientes instalaciones de investigación: Sydney Microscopy and Microanalysis (SMM), Sydney Analytical, Sydney Informatics Hub y Sydney Manufacturing Hub. SMM es un nodo fundamental de Microscopy Australia, la instalación nacional de microscopía respaldada por NCRIS. Todo este equipo de investigación son miembros de la Escuela de Ingeniería Aeroespacial, Mecánica y Mecatrónica de la Facultad de Ingeniería y son miembros del Centro Australiano de Microscopía y Microanálisis. Una solicitud de patente del profesor Ringer está relacionada en parte con este trabajo.
El artículo de investigación del equipo, ‘Cuantificación del orden de corto alcance mediante la tomografía de sonda atómica‘, se publica en Nature Materials (DOI: ).
CONTACTOS PARA LOS MEDIOS
Para entrevistas con el profesor Simon Ringer de la Universidad de Sydney, comuníquese con Luisa Low al +61 438 021 390 o al luisa.low@sydney.edu.au
Diario
Materiales de la naturaleza
Método de investigación
Análisis de imágenes
Tema de investigación
No aplicable
Título del artículo
Cuantificación del orden de corto alcance mediante la tomografía de sonda atómica
Fecha de publicación del artículo
2-jul-2024
