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Una aleación de platino y oro 100 veces más dura que el acero

Los científicos de materiales de Sandia National Laboratories han diseñado una aleación de platino-oro que se cree que es el metal más resistente al desgaste del mundo. Es 100 veces más duradero que el acero de alta resistencia, por lo que es la primera aleación de la misma clase que el diamante y el zafiro, los materiales más resistentes al desgaste de la naturaleza. El equipo de Sandia informó recientemente sus hallazgos en un artículo en Advanced Materials .

"Demostramos que se puede realizar un cambio fundamental en algunas aleaciones que impartirá este tremendo aumento en el rendimiento en una amplia gama de metales reales y prácticos", dijo el científico de materiales Nic Argibay, autor del artículo.


Aunque normalmente se piensa que los metales son fuertes, cuando se frotan repetidamente contra otros metales, como en un motor, se desgastan, deforman y corroen a menos que tengan una barrera protectora, como la que proporcionan los aditivos en el aceite de motor. En electrónica, los contactos móviles de metal a metal reciben protecciones similares de las capas externas de oro u otras aleaciones de metales preciosos.

Pero estos revestimientos metálicos son caros. Y eventualmente también se desgastan, a medida que las conexiones se presionan y se cruzan día tras día, año tras año, a veces millones, incluso miles de millones de veces. Estos efectos se agravan cuanto más pequeñas son las conexiones, ya que están hechas de menos material y, por lo tanto, pueden soportar menos desgaste antes de dejar de funcionar.


Sin embargo, la nueva aleación de platino y oro de Sandia es tan resistente al desgaste que los neumáticos fabricados con ella solo perderían una capa de átomos después de una milla de deslizamiento constante. Este recubrimiento ultraduradero podría ahorrarle a la industria electrónica más de $ 100 millones al año solo en materiales, dice Argibay. También podría hacer que la electrónica de todos los tamaños y en muchas industrias sea más rentable, duradera y confiable, desde sistemas aeroespaciales y turbinas eólicas hasta microelectrónica para teléfonos celulares y sistemas de radar.

"Estos materiales resistentes al desgaste podrían potencialmente proporcionar beneficios de confiabilidad para una variedad de dispositivos que hemos explorado", dijo Chris Nordquist, un ingeniero de Sandia que no participó en el estudio. "Las oportunidades de integración y mejora serían específicas del dispositivo, pero este material proporcionaría otra herramienta para abordar las limitaciones actuales de confiabilidad de los componentes microelectrónicos metálicos".


Aunque antes se han fabricado aleaciones con la misma composición (90% de platino y 10% de oro), la ingeniería es nueva. La sabiduría convencional dice que la capacidad de un metal para resistir la fricción se basa en su dureza. El equipo de Sandia propuso una nueva teoría que dice que el desgaste está relacionado con la forma en que los metales reaccionan al calor, no con su dureza, y seleccionaron a mano los metales, las proporciones y un proceso de fabricación que podría probar su teoría.


"Muchas aleaciones tradicionales se desarrollaron para aumentar la resistencia de un material al reducir el tamaño de grano", dijo John Curry, un postdoctoral designado en Sandia y primer autor del artículo. "Aún así, en presencia de tensiones y temperaturas extremas, muchas aleaciones se volverán más gruesas o se ablandarán, especialmente bajo fatiga. Vimos que con nuestra aleación de platino-oro la estabilidad mecánica y térmica es excelente, y no vimos muchos cambios en la microestructura. durante períodos inmensamente largos de estrés cíclico durante el deslizamiento ".


La aleación se ve y se siente como platino ordinario: blanco plateado y un poco más pesado que el oro puro. Lo más importante es que no es más duro que otras aleaciones de platino-oro, pero es mucho mejor para resistir el calor y 100 veces más resistente al desgaste.

El enfoque del equipo es moderno y dependía de herramientas computacionales. La teoría de Argibay y Chandross surgió a partir de simulaciones que calculaban cómo los átomos individuales estaban afectando las propiedades a gran escala de un material, una conexión que rara vez es obvia solo a partir de las observaciones. Los investigadores de muchos campos científicos utilizan herramientas computacionales para eliminar gran parte de las conjeturas de la investigación y el desarrollo.


"Nos dirigimos a la microestructura y los mecanismos atómicos fundamentales y unimos todas estas cosas para comprender por qué se obtiene un buen rendimiento o por qué se obtiene un mal rendimiento, y luego diseñamos una aleación que proporciona un buen rendimiento", dijo Chandross.


Aún así, siempre habrá sorpresas en la ciencia. En un artículo separado publicado en Carbon , el equipo de Sandia describe los resultados de un accidente notable. Un día, mientras medía el desgaste de su aleación de platino-oro, comenzó a formarse una película negra inesperada en la parte superior. Lo reconocieron: carbono similar al diamante, uno de los mejores recubrimientos artificiales del mundo, resbaladizo como el grafito y duro como el diamante. La aleación estaba produciendo su propio lubricante, y además uno bueno.


El carbono similar al diamante generalmente requiere condiciones especiales para su fabricación y, sin embargo, la aleación lo sintetizó espontáneamente. "Creemos que la estabilidad y la resistencia inherente al desgaste permiten que las moléculas que contienen carbono del medio ambiente se adhieran y se degraden durante el deslizamiento para finalmente formar carbono similar al diamante", explicó Curry. "La industria tiene otros métodos para hacer esto, pero generalmente involucran cámaras de vacío con plasmas de especies de carbono a alta temperatura. Puede resultar muy costoso".


Este fenómeno podría aprovecharse para mejorar aún más el rendimiento ya impresionante del metal, y también podría conducir a una forma más simple y rentable de producir en masa este lubricante premium.


Fuente: materialstoday



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