Ciencia de materiales
Aleación Nanocristalina Mejorada Podría Revolucionar la Industria Aeroespacial & Automotriz
Como su nombre indica, los nanocristales son partículas diminutas. Estas partículas son elementos cristalinos con al menos una dimensión menor que 1,000 nanometres, donde un nanómetro es una milmillonésima parte de un metro.
Las nanopartículas que tienen un tamaño tan pequeño como menos de 10 nanómetros se convierten en puntos cuánticos. The Journal of Biotechnology ofrece una visión completa sobre la clasificación de nanopartículas, sus propiedades fisicoquímicas, caracterización y aplicación.
Los nanomateriales varían en cuanto a su dimensión. Por ejemplo, pueden ser cero-dimensionales, unidimensionales, bidimensionales y tridimensionales. Pueden ayudar a formar fullerenos, nanotubos, nanohorns, nanosheets, nanolayers, nanowires y arreglos de nanotubos.
Pueden ser orgánicos, basados en carbono o inorgánicos. Y lo más importante, las nanopartículas poseen una amplia gama de propiedades, incluyendo mecánicas, térmicas, magnéticas, electrónicas y ópticas, o catalíticas. Este amplio espectro de utilidad hace que los nanocristales sean beneficiosos y propicios para crear soluciones de vanguardia para el futuro.
El desarrollo en el campo de los nanocristales ha dado origen a aleaciones nanocristalinas. Los científicos consideran estas aleaciones especialmente significativas por sus propiedades únicas de hidrogenación. Estas aleaciones suelen tener un tamaño de grano inferior a 50 nanómetros. Una nueva publicación de investigación de la Universidad de Cornell afirma que los ajustes a escala nanométrica ayudan a las aleaciones a resistir impactos de alta velocidad.
En el siguiente segmento, profundizamos para entender por qué esta investigación es un avance.
Abordando la Deformación en Cristales y la Fragilización en Metales
Los dislocaciones juegan un papel significativo en la deformación plástica de los cristales. A tasas de deformación extremas, su movimiento cambia de deslizamiento termalmente activado a transporte balístico, causando una resistencia significativa debido a interacciones con los fonones. Esta es la razón de la fragilización y falla en los metales.
En la investigación que discutimos aquí, los científicos presentan evidencia que muestra que en Cu-3Ta, una aleación nanocristalina termo-mecánicamente estable1, el efecto de arrastre de fonones se suprime por completo incluso a tasas de deformación ultra altas (10^9 s−1). Ocurre debido al confinamiento estable de las dislocaciones dentro de rangos de varios nanómetros, limitando su velocidad e interacción con los fonones.
El estudio indica que en entornos confinados, el efecto de arrastre dislocación-fonón es mínimo, lo que podría mejorar el rendimiento del material bajo condiciones extremas.
Todo esto puede sonar muy técnico. En el siguiente segmento, podemos comprender el fenómeno en términos de cómo se manifiesta en la práctica.
Diseñando Metales y Aleaciones Preparados para Resistir Impactos Extremos
En términos más comprensibles, la colaboración liderada por Cornell ha ideado un nuevo método para diseñar metales y aleaciones que pueden resistir impactos extremos. Los investigadores lo han logrado introduciendo topes a escala nanométrica que suprimen una transición fundamental que controla cómo se deforman los materiales metálicos.
Los investigadores quieren que imaginemos un escenario donde un material metálico es golpeado a una velocidad extremadamente alta, similar a lo que ocurre en colisiones de carreteras e impactos balísticos. La fragilización hace que el material se rompa y falle, y puede entenderse como la pérdida de ductilidad debido a una deformación rápida.
Luego, los investigadores exploran los factores que contribuyen a la maleabilidad de los metales. Esta maleabilidad es el resultado de pequeños defectos o dislocaciones que viajan a través del grano cristalino hasta encontrar una barrera. La velocidad de la dislocación se acelera bajo tensiones rápidas y extremas. Esta dislocación aumentada o acelerada —a menudo ocurriendo a velocidades de kilómetros por segundo— comienza a interactuar con las vibraciones de la red, o fonones, creando una resistencia sustancial. Esta interacción finalmente conduce al transporte balístico desde un deslizamiento termalmente activado, causando un arrastre significativo y fragilización.
¿Qué hacen los investigadores para controlar tales fallas? Mostafa Hassani, profesor asistente en la Sibley School of Mechanical and Aerospace Engineering y el Department of Materials Science and Engineering en Cornell Engineering, dice lo siguiente:
“Para suprimir el transporte balístico de dislocaciones y el arrastre de fonones resultante, utilizamos el concepto de confinar el movimiento de las dislocaciones, su deslizamiento, a escala nanométrica.”
Mostafa Hassani lideró el equipo de investigadores de Cornell que trabajó junto a investigadores del Army Research Laboratory (ARL). Para idear una solución, el equipo creó una aleación nanocristalina, cobre-tantalio (Cu-3Ta).
Se eligió cobre porque sus granos nanocristalinos eran tan pequeños que el movimiento de las dislocaciones se volvió inherentemente limitado. El tantalio añadió valor al confinar aún más el movimiento mediante sus cúmulos nanométricos presentes dentro de los granos.
Haga clic aquí para conocer todo sobre la revolucionaria aleación Ti-AL.
Realización del Experimento en el Laboratorio
Los investigadores desplegaron una plataforma de mesa personalizada que lanzó microproyectiles esféricos, de 10 micrones de tamaño, mediante un pulso láser, alcanzando velocidades de hasta 1 kilómetro por segundo—más rápido que un avión. Cuando los microproyectiles impactaron un material objetivo, el impacto fue registrado por una cámara de alta velocidad.
Como parte del experimento, los investigadores lo realizaron primero con cobre puro y luego con cobre-tantalio. Para añadir variedad al escenario de prueba, los investigadores también repitieron el experimento a una velocidad más lenta con una punta esférica, empujada gradualmente en el sustrato, indentándolo.
Al medir a altas velocidades, los investigadores observaron datos relacionados con las velocidades de impacto y rebote y el tamaño de las partículas. El tratamiento adecuado de los datos era crucial, ya que podía ayudar a aislar la contribución del arrastre dislocación-fonón y suprimir sistemáticamente esa contribución.
La supresión fue definitivamente efectiva y produjo resultados como en un metal o aleación convencional; las dislocaciones podían viajar varias decenas de micrones sin barreras. Pero en el cobre-tantalio nanocristalino, las dislocaciones apenas podían moverse más de unos pocos nanómetros, que son 1,000 veces más pequeños que un micrón, antes de que fueran detenidas en su trayectoria.
Este hallazgo resume la naturaleza revolucionaria de la investigación. Aunque la fragilización pudo ser suprimida eficazmente, fue la primera vez que los investigadores observaron un comportamiento como este a una velocidad tan alta.
De cara al futuro, los investigadores planean ampliar su propuesta desde su implementación en una microestructura y una composición a la afinación de la composición y microestructuras y al control del arrastre dislocación-fonón. ¿Podrían predecir la magnitud de las interacciones dislocación-fonón? Eso es algo que futuros experimentos en el área nos dirán.
Aunque el futuro ofrece muchas promesas y está lleno de posibilidades, la aplicabilidad de la investigación ya está bien establecida. Los hallazgos, según se citan en el artículo, podrían conducir al desarrollo de automóviles, aviones y blindajes que puedan soportar mejor impactos de alta velocidad, calor extremo y estrés.
Aplicaciones del Mundo Real y Cronograma
Los analistas de la industria y los expertos creen que este avance podría conducir al desarrollo de materiales más resistentes a impactos para su uso en automóviles, aviones y blindaje protector, con posibles aplicaciones comerciales emergentes dentro de los próximos 5 a 10 años a medida que la tecnología madure e se integre en los procesos de fabricación.
La resistencia al impacto es una propiedad crucial que deben tener los materiales, especialmente los utilizados en la fabricación. Esta propiedad permite que un material resista impactos repentinos y de alta fuerza sin romperse o deformarse. Tener una comprensión adecuada de los materiales resistentes al impacto es crucial al tratar aplicaciones en los campos automotriz, aeroespacial, equipos industriales y productos de consumo.
Las estructuras aeroespaciales son vulnerables a una variedad de cargas de impacto durante su servicio, desde colisiones con aves, impactos de granizo y desprendimientos de palas de ventiladores de motor. Por lo tanto, la resistencia al impacto es uno de los evaluadores más críticos para el diseño de estructuras aeroespaciales, ya que afecta la seguridad, la fiabilidad y el costo de las estructuras aeroespaciales.
La investigación puede ayudar a alcanzar estándares mejorados de resistencia al impacto. Es un parámetro crucial para lograr el éxito, ya que la carga de impacto puede variar rápidamente con el tiempo, causando deformación del material bajo altas tasas de deformación.
La comunidad científica considera que las propiedades mecánicas dependientes de la tasa de deformación y las características de falla de los materiales son cruciales para el diseño seguro de estructuras de ingeniería. La discusión de la investigación podría mejorar significativamente este aspecto. Sin embargo, los científicos creen que evaluar estructuras aeroespaciales bajo cargas de impacto presenta desafíos en la caracterización experimental de alta fidelidad y modelado constitutivo, métodos computacionales y de simulación de alta eficiencia, y el desarrollo de estructuras anti-impacto y de absorción de energía novedosas.
La resistencia a impactos frontales y laterales son factores cruciales al evaluar la robustez de un automóvil. En el Programa Latinoamericano de Evaluación de Automóviles Nuevos, por ejemplo, el impacto frontal se realiza a 64kph (40mph) mientras el coche choca contra una barrera deformable con el 40% de su ancho del lado del conductor (offset).
Más importante es el parámetro de resistencia a impactos laterales, ya que los choques laterales representan la segunda mayor frecuencia de muertes y lesiones graves en regiones como Europa. Para medir la resistencia a impactos laterales, según los estándares del Latin NCAP, una barrera deformable se monta en un carro y se conduce a 50 km/h contra el lado del vehículo de prueba estacionario en ángulo recto.
Estas son pruebas de seguridad muy cruciales. Ayudan a determinar los estándares de seguridad de un vehículo. Para un fabricante, este parámetro es de suma importancia. Tener altos estándares de resistencia al impacto ayuda a crear confianza para una marca automotriz en el mercado.
La investigación actual del equipo de la Universidad de Cornell ayudaría a mejorar los parámetros de resistencia al impacto, resistencia a colisiones y resistencia a choques de los automóviles en una medida significativa. Ayudaría a revolucionar estas industrias al contribuir a la construcción de estructuras y vehículos que sean significativamente más seguros que las soluciones existentes hoy.
Sin embargo, para que la investigación produzca resultados, necesitaríamos empresas que ayuden a implementar soluciones basadas en investigación científica a escala comercial. En la siguiente sección, discutimos una empresa pionera en este sector, ATI Inc. (ATI ), líder en la producción de materiales y componentes especializados avanzados, incluyendo aleaciones de alto rendimiento utilizadas en aplicaciones aeroespaciales y de defensa.
Empresa Innovadora
ATI Inc. (ATI )
ATI Inc. es un proveedor de muchos servicios. Afirma resolver los desafíos del mundo a través de la ciencia de materiales al permitir a sus clientes, mediante sus materiales, hacer cosas asombrosas: desde operar motores a reacción a 2800 grados Fahrenheit hasta equipar la defensa nacional para transportar de manera segura y eficiente líquidos altamente corrosivos y corrientes de escape, hasta habilitar conocimientos médicos que cambian la vida.
La compañía atiende a una variedad de industrias, incluyendo aeroespacial, defensa, energía, médica y electrónica. Fabrica una variedad de materiales y componentes de alto rendimiento, así como aleaciones avanzadas y soluciones.
Materiales y Componentes de Alto Rendimiento por ATI Inc.
El segmento de materiales y componentes de alto rendimiento de la compañía es responsable de producir, convertir y distribuir materiales que satisfacen las necesidades de mercados de usuarios finales sofisticados como aeroespacial y defensa, industria de petróleo y gas/química, energía eléctrica y médica.
Los materiales suministrados por la compañía bajo esta categoría incluyen titanio y aleaciones basadas en titanio, aleaciones basadas en níquel y cobalto y superaleaciones, aleaciones de polvo avanzadas y otros metales especializados en formas de producto largas, como lingotes, bloques, barras, varillas, alambres, formas y rectángulos, y tubos sin costura, además de piezas de flujo, forjas de precisión y piezas mecanizadas.
La compañía ofrece un servicio totalmente integrado que comienza desde el suministro de materias primas (esponja) hasta la fundición, refusión, procesamiento final, forjado y mecanizado en sus productos de titanio y aleaciones de titanio y productos de aleaciones de zirconio y hafnio.
El segmento de Materiales Especiales de la compañía asegura que materiales como titanio, níquel, cobalto y acero, aleados mediante fórmulas precisas y procesos complejos, desarrollen resistencia al desgaste, al calor y a la corrosión.
Las aleaciones de níquel y cobalto de ATI, por ejemplo, se utilizan en motores a reacción, turbinas de gas, procesamiento químico, refinación de petróleo, aplicaciones marinas, electrónicas y otras donde los aceros inoxidables comunes pueden no ofrecer un rendimiento adecuado.
En la categoría de productos de titanio y aleaciones de titanio, ATI fabrica productos de titanio puro comercial y aleaciones de titanio de alta resistencia en formas laminadas y largas, formas netas y componentes.
También está involucrada en la producción de titanio puro comercial y aleaciones de titanio como metales en polvo de titanio de forma casi neta, aluminidos de titanio, fundiciones de titanio altamente diseñadas y forjas de titanio, y componentes de titanio mecanizados.
Los productos de acero especializado fabricados por ATI son conocidos por su resistencia a la corrosión y al calor. Estas aleaciones de acero se utilizan en una variedad de industrias, incluyendo aeroespacial y defensa, procesamiento químico, petróleo y gas, energía eléctrica, médica, automotriz, equipos de alimentos y electrodomésticos, construcción, minería, transporte y electrónica.
Las aleaciones de níquel y cobalto de ATI se utilizan en motores a reacción, turbinas de gas, procesamiento químico, refinación de petróleo, aplicaciones marinas, electrónicas y otras como soluciones complementarias para casos donde los aceros inoxidables comunes pueden no ofrecer un rendimiento adecuado.
En conjunto, ATI opera a través de un amplio espectro. Ofrece soluciones diversas a una variedad de industrias mediante su experiencia de vanguardia en ciencia de materiales.
(ATI
)
En el cuarto trimestre de 2024, ATI tuvo sus ingresos incrementados en un 12% secuencialmente a $1.2 mil millones. El EBITDA ajustado fue de $210 millones, por encima del rango guiado de la compañía de $181 millones a $191 millones. En el año completo, los ingresos fueron casi $4.4 mil millones, el más alto de ATI desde 2012. El EBITDA ajustado fue de $729 millones. Y los márgenes EBITDA fueron casi del 17%.
En cuanto a la resistencia al impacto específicamente, ATI tiene muchos materiales en su portafolio. Sus aceros inoxidables ATI 302™ (S30200), ATI 304™ (S30400), ATI 304L™ (S30403) y ATI 305™ (S30500), por ejemplo, son conocidos por su resistencia al impacto. Este conjunto de aceros inoxidables austeníticos recocidos mantiene alta resistencia al impacto incluso a temperaturas criogénicas, una propiedad que, combinada con su resistencia a bajas temperaturas y su fabricabilidad, ha llevado a su uso en el manejo de gas natural licuado y otros entornos criogénicos.
La aleación ATI 625™ (designación UNS N06625) es una superaleación a base de níquel austenítico que posee una excelente resistencia a la oxidación y corrosión en una amplia gama de condiciones corrosivas, incluyendo entornos de motores a reacción y en muchas otras aplicaciones aeroespaciales y de procesos químicos. El producto mantiene alta resistencia al impacto a bajas temperaturas.
Estos son solo un par de ejemplos. Hay muchas más soluciones de materiales sofisticados de la casa ATI.
Últimas Noticias sobre ATI Inc.
El Futuro de las Aleaciones Nanocristalinas
El futuro de las aleaciones nanocristalinas está lleno de promesas. Las aleaciones nanocristalinas a base de magnesio han atraído el interés de investigación por su potencial de ofrecer mejoras en la cinética de hidrogenación a temperatura ambiente o incluso ligera. Estas aleaciones también han demostrado su eficacia para reducir la temperatura de desorción de hidrógeno.
Las aleaciones nanocristalinas a base de magnesio preparadas mediante aleación mecánica presentan una cinética de hidrogenación significativamente mejorada bajo temperaturas moderadas.
La investigación realizada durante la última década ha demostrado que los esfuerzos de I+D en materiales nanocristalinos, cuando se modifican adecuadamente, pueden hacer contribuciones revolucionarias a la mejora de propiedades de los materiales. Estas propiedades incluyen cinética y termodinámica, estructura, microestructura y propiedades magnéticas intrínsecas y extrínsecas.
La nanoingeniería de materiales metálicos también ha surgido como un campo de estudio crucial. Los materiales nanostructurados podrían ser nuevos, pero ya han encontrado aplicaciones de ingeniería que requieren producción en cantidades significativas de toneladas. Más de 30,000 toneladas al año de las aleaciones nanocristalinas magnéticas blandas se producen mediante la cristalización de cintas amorfas RSP.
La investigación destaca los compuestos nanocristalinos WC-Co como un éxito temprano, con su dureza, tenacidad y resistencia al desgaste superiores, proporcionando herramientas de mecanizado de alto rendimiento. La estructura muy fina de las herramientas nanocristalinas promete un rendimiento superior en perforación y corte fino en el área de micromaquinado. Según informes científicos y estudios disponibles públicamente, las aleaciones de aluminio y magnesio nanocompuestas que contienen una alta fracción volumétrica de precipitados a nanoescala muestran muy altas resistencias y ductilidad moderada.
Sin embargo, estos materiales se han producido solo en cantidades relativamente pequeñas y no han alcanzado una aplicación comercial. Los materiales nanocristalinos derivados de aleaciones amorfas a granel presentan alta resistencia y tenacidad moderada. No obstante, se requiere un mayor desarrollo para lograr ductilidad y tenacidad para aplicaciones de ingeniería críticas.
En conjunto, las aleaciones nanocristalinas corresponden a un campo científico que prospera con potencial de innovación y posibilidades de descubrimiento de vanguardia. Con el tiempo, revolucionarán muchos otros campos, como aeroespacial y automotriz, sin duda.
Haga clic aquí para aprender sobre el Rhenio, el material aeroespacial de alto rendimiento.
Estudios Referenciados:
1. Tang, Q., Li, J., Hornbuckle, B. C., et al. (2025). Transporte balístico suprimido de dislocaciones a tasas de deformación de hasta 10^9 s–1 en una aleación nanocristalina estable. Communications Materials, 6(43). https://doi.org/10.1038/s43246-025-00757-8
