Entre el caos y el orden: el fascinante mundo de los vidrios metálicos

Imagina por un instante un mundo donde los materiales son superhéroes con poderes extraordinarios. Algunos exhiben una fuerza comparable a la de gigantes, otros una flexibilidad digna de contorsionistas, y hay quienes pesan tanto como montañas. En este cosmos, existe un grupo de héroes menos conocidos pero dotados con habilidades increíbles: los vidrios metálicos.

Estos no son como los vidrios que adornan edificios ni metales transparentes que dejan pasar la luz. ¿Qué los hace tan especiales? La respuesta es simple: poseen capacidades únicas que los distinguen, dotándolos de múltiples superpoderes simultáneamente.

Por ejemplo, una de sus principales virtudes es la capacidad de deformarse como si fueran plástico a ciertas temperaturas, permitiéndoles adoptar formas complejas con múltiples ángulos o dobleces sin romperse. Es crucial no sobrecalentarlos, ya que podrían fracturarse.

¿Qué son los vidrios metálicos?

Recordarás que en la escuela nos hablaron sobre los tres estados de la materia: sólido, líquido y gaseoso. En los estados líquido y gaseoso, los átomos se mueven libremente, adaptándose a la forma del recipiente que los contiene. En cambio, en el estado sólido, los átomos ocupan posiciones fijas, limitándose a vibrar.

En los metales, los átomos se organizan en patrones geométricos regulares, como cubos, tetraedros o rombos. Imagina un cubo con una esfera en cada esquina y otra en su centro: así se disponen los átomos en el hierro, repitiendo esta estructura hasta formar objetos visibles.

Los vidrios metálicos, sin embargo, rompen con este orden. Sus átomos se distribuyen de manera casi aleatoria. Observados bajo microscopios potentes, parecen más bien un líquido, aunque al tacto son sólidos.

La aventura experimental

En el corazón de un laboratorio, investigadores se embarcan en la creación de un nuevo tipo de vidrio metálico, fusionando metales como el cobre, el hierro y el níquel con elementos como el hafnio, el niobio o el titanio.

En un experimento anterior, descubrieron accidentalmente que la contaminación con silicio resultaba en la formación de un nuevo vidrio metálico. Ahora, buscan entender el impacto del silicio en estos materiales.

Con meticulosidad, pesan los elementos seleccionados, ya que cualquier desviación podría frustrar la formación del vidrio metálico. Los elementos se funden en una cámara sellada al vacío, transformándose en un lingote redondo.

El proceso requiere calentar los elementos hasta que se vuelvan líquidos y luego enfriarlos rápidamente para evitar que los átomos, dispersos en el líquido, se ordenen. Es semejante a pedirle a una multitud que se siente ordenadamente en un segundo: una tarea imposible.

Los investigadores logran esto proyectando un chorro de metal fundido contra una rueda de cobre en rotación veloz. Si todo sale bien, obtienen una cinta delgada de vidrio metálico.

Desentrañando el misterio

Para verificar sus hallazgos y determinar las propiedades del material, los científicos lo someten a rayos X, electrones y calor extremo, hasta 1500 °C. Este proceso revelador toma meses de investigación y árduo trabajo.

Finalmente, con todos los datos en mano, se preguntan: ¿Cuál es el efecto del silicio en los vidrios metálicos de cobre y hafnio? ¿Beneficioso o perjudicial?

¿Cómo afecta sus propiedades?

Tras intensos debates, concluyen que al agregar silicio, en un porcentaje de 0.5% en peso, se mejora la estabilidad térmica del material, permitiendo que se pueda calentar más antes de fracturarse, ampliando así sus aplicaciones prácticas.

Al final del día, los investigadores han creado un nuevo superhéroe, un material, capaz de resistir hasta 845 °C sin dañarse, una hazaña comparada con la resistencia humana de aproximadamente 55 °C.

La jornada concluye, pero el desafío continúa. Una pregunta resuena entre el equipo: Si este material puede soportar temperaturas increíbles, ¿Qué otros superpoderes desconocidos poseerá?

Objetivo: Estudiar el efecto de Si en vidrios metálicos base cobre

Introducción

Los vidrios metálicos presentan propiedades únicas a diferencia de sus contrapartes cristalinas. Esto es debido a que su estructura interna no posee un arreglo periódico y ordenado. En los últimos años, distintos grupos de aleaciones base cobre han sido estudiados y caracterizados, haciendo énfasis en el efecto de distintos elementos aleantes. Por ejemplo, se ha descubierto que al incrementar las cantidades de silicio en un 0.5% en peso, se pueden obtener muestras con diámetros mayores que en otros porcentajes de Si.

La presente línea de investigación se enfoca en el estudio de vidrios metálicos de la familia Cu-Hf, en este caso en particular se hizo énfasis en tres aleaciones diferentes Cu55Hf45, Cu54.5Hf45Si0.5, Cu54Hf45Si1 y Cu53Hf45Si2. Se utilizaron los siguientes equipos y procesos: fundición en horno de arco eléctrico, melt-spinning, difracción de rayos-X, microscoopía electrónica de barrido, microscopía electrónica de transimisión y calorimetría diferencial de barrido.

Desarrollo y

Para fabricar los vidrios metálicos primero se pesan los elementos en una balanza especial, a continuación se funden en un horno de arco electrico en una atmósfera de argon. Para obtener las cintas se utiliza la ténica de melt-spinning utilizando una atmósfera de helio con una presión de iyección de 0.4 bar, un orificio en el crisol de 0.8 mm y una velocidad de giro de 25 m/s. Posteriormente estas cintas son caracterizadas mediante calodimetrái diferencial de barrido utilizando condiciones isotérmicas y de calentamiento continuo.

Finalmente se determinan los valores de energía de activación mediante el modelo de kissinger y la energía local de activación mediante el modelo de JMA.

Resultados obtenidos

Los resultados obtenidos ayudar a conocer la influencia de las microadiciones de Si en parámetros como la temperatura de cristalización, temperatura de transición vítrea. También se pueden conocer los valores de energía de activación para conocer la estabilidad térmica de las aleaciones fabricadas. Esto en condiciones de calentamiento continuo y análisis isotérmico. Tambien se puede determinar la fracción cristalizada en función del tiempo y de la temperatura, lo que es útil para conocer la evolución del fenomeno de cristalización en este tipo de materiales.

Conclusiones

En el estudio realizado, se observó que los menores resultados de energía de activación se obtuvieron al agregar un 2.0% en peso de silicio, lo que indica que con esta cantidad se tiene la menor estabilidad térmica de las aleaciones trabajadas

Referencias

O. Lozada-Flores, I.A. Figueroa, G. Gonzalez, A.E. Salas-Reyes, Influence of minor additions of Si on the crystallization kinetics of Cu55Hf45 metallic glasses, Thermochimica Acta, Volume 662, 2018, Pages 116-125, ISSN 0040-6031, https://doi.org/10.1016/j.tca.2018.02.006. (https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0040603118300418)

Semblanza

El Dr.Octavio Lozada Flores es especialista en vidrios metálicos y cinética de cristalización. Realizó sus estudios de doctorado en la UNAM. Desde 2018 colabora en la Universidad Panamericana, donde es Profesor-Investigador de tiempo completo en la Facultad de Ingeniería. Cuenta con publicaciones en revistas científicas indexadas y es miembro del Sistema Nacional de Investigadoras e Investigadores, nivel 1 (CONAHCYT).

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