Alta Entropía

La metalurgia es una ciencia que por mucho tiempo fue como un arte negro.

Solamente algunas personas sabían como mezclar ciertos metales para obtener aleaciones altamente resistentes, que no sufrieran fácilmente de corrosión, que soportaran temperaturas muy elevadas, que fueran resistentes a la fractura y a otros esfuerzos.

Poco a poco con el paso de miles de años fuimos encontrando los principios lógicos de esta ciencia.

Nuestro conocimiento sobre metales ha marcado la historia de la sociedad humana.

La edad del bronce, la edad del cobre, la edad del hierro… en cada una de esas etapas nuestro conocimiento sobre metales nos permitió crear herramientas que a su vez conformaron la estructura completa de la sociedad.

Mejores herramientas para construir casas, para atrapar animales, hasta para ir a la guerra.

Y todavía ahora el descubrir nuevas aleaciones puede tener un efecto sistémico en la economía mundial.

El conocimiento y uso de diferentes metales ha sido parte fundamental de la historia de la humanidad. Del mismo modo que los descubrimientos de nuevas aleaciones han ido marcando hitos, al poner en evidencia nuevas características útiles que el metal puro no poseía. Sin conocerse el porqué, pareciera que en este la ordenación de los átomos en diferentes capas termina debilitándolo, ya que facilitarían el deslizamiento de unas sobre otras, resultando en fragilidades no deseadas. Al mezclarse un determinado metal, con una pequeña cantidad de átomos de otro diferente (aleaciones), se dificultaría el desplazamiento, resultando una estructura más resistente y de mejores características. Es así como en la búsqueda de nuevas propiedades, mediante diversas aleaciones, ha ido dando respuesta a las necesidades estructurales y tecnológicas que ha ido requiriendo el avance de desarrollo.

La mayoría de las aleaciones metálicas tienen dos o tres metales diferentes, trabajar con componentes que tengan más elementos es exponencialmente más complicado.

La metalurgia soportada en los principios antes descritos, siempre ha estado basada en un metal base al que se le iban añadiendo los elementos acondicionadores de sus propiedades finales. La solución sólida de los metales como concepto ha estado limitada fundamentalmente a pares de metales, y/o a concentraciones en rangos estrechos de aquellos añadidos frente al metal base mayoritario. El aumento o la introducción de otro metal, o la variación de la concentración de uno de ellos, provocan de forma casi inmediata la aparición de fases estables (como puede verse en la figura adjunta), que en muchos casos generan fenómenos indeseables como una gran fragilidad o la corrosión de la aleación.

Si empezamos a mezclar cantidades mas o menos conocidas de cobre y de oro, por poner un ejemplo, al cabo de poco tiempo de hacer experimentos nos permite hacernos una idea de lo que se necesita para generar un objeto hecho especialmente de oro pero que tenga una resistencia física especialmente grande (el oro puro se marca hasta con la uña).

Si queremos hacer lo mismo con una aleación que tenga tres elementos diferentes la situación se complica bastante, con cuatro componentes cuesta muchísimo mas trabajo predecir como se va a comportar una aleación al irle cambiando la proporción de cualquiera de los cuatro elementos.

Si queremos hacer estos experimentos el número es grandísimo, además de las complicaciones por las técnicas para mezclar el metal como la temperatura o presión y una vez conseguida la aleación hay que someterla apruebas. Cuanta temperatura aguanta, la tracción, torción, oxidación, golpes sin fragmentarse, que densidad tiene….

Cada experimento cuesta mucho tiempo y mucho dinero, por lo que estudiar las aleaciones con cuatro factores ya es bastante difícil.

Cuando a un metal puro se le mezcla con un poco de otro, este adquiere características especiales; si a nueve partes de cobre se le agrega una parte de estaño, resulta «bronce». Si al hierro se le agrega una pequeña parte de carbón, resulta «acero». Estas son algunas de las aleaciones de metales que el hombre ha ido aprendiendo a lo largo de su historia. Pero en los tiempos actuales los avances tecnológicos requieren de metales con nuevas propiedades. Es por ello que se continúa buscando nuevas aleaciones que proporcione respuestas adecuadas a las nuevas demandas.

Desde 1981 se vienen publicando trabajos teóricos que sugieren que el hacer aleaciones con cinco elementos diferentes podría producir productos finales muy atractivos, materiales ultrarresistentes, que aguantan altas temperaturas, no se oxidan ni en las peores circunstancias, soportan muy bien los golpes, etc…  siendo además muy ligeros.

Con la llegada del siglo XX, y las nuevas exigencias de la humanidad de construir más alto, volar más rápido, crear nuevos dispositivos que satisfagan nuestras necesidades sociales, viajar al espacio, etc. se perdió de una vez por todas ese miedo a la investigación de nuevos materiales metálicos que no estén basados únicamente en un elemento principal.

En el año 2004 aparece la primera publicación sobre Aleaciones de Alta Entropía, en inglés High Entropy Alloys. Los materiales descritos en esta publicación revolucionaron el campo de la metalurgia física, ya que, en contra de todo pronóstico, se estabilizaron soluciones sólidas desordenadas, en vez de frágiles compuestos intermetálicos. Estas nuevas microestructuras presentaron una combinación de propiedades mecánicas y físicas que ninguna otra aleación había sido capaz de presentar hasta la fecha.

Esto abrió un nuevo campo en la ingeniería de materiales, ya que el número de Aleaciones de Alta Entropía por investigar puede decirse que es casi infinito, pues se han estimado alrededor de 1078 posibles aleaciones.

De esta manera, la comunidad científica se lanzó al descubrimiento de nuevos materiales basados en el diseño de alta entropía. La producción científica en este campo aumentó exponencialmente y se señalaron cuatro efectos como los principales “culpables” del nuevo descubrimiento:

    Alta entropía de mezcla: en contra de lo que se podía esperar, alear una mayor cantidad de componentes provoca un aumento del desorden atómico de la estructura cuando se encuentran cerca del punto de fusión y, en consecuencia, menos fases de las esperadas debido al aumento de la solubilidad de los componentes y a la disminución de la formación de compuestos intermetálicos, que son estructuras generalmente frágiles.

    Difusión lenta: en una red cristalina integrada por varios elementos diferentes, los átomos encontrarán una energía potencial muy diferente al difundirse. Podría muy bien darse entonces el caso en el que la energía potencial en esa nueva posición sea mucho más alta y que el átomo volviera a su lugar original. Esta difusión lenta justifica que tengan excelentes propiedades a alta temperatura.

    Distorsión de la red cristalina: la amplia distorsión de la red cristalina proviene de los distintos tamaños del radio atómico de los componentes. Dentro de las propiedades que se obtienen de una estructura con una amplia distorsión de red cabe mencionar el aumento de la dureza y resistencia, la reducción de las conductividades térmicas y eléctricas y una menor dependencia de estos parámetros de la temperatura.

    Efecto cóctel: este efecto fue descrito por primera vez como “una mezcla sinérgica donde el resultado final es impredecible y los resultados obtenidos son mejores que los resultados obtenidos por separado”.

En estas aleaciones existe un desorden aparente en la distribución de los cinco elementos, si la mezcla se hace de la manera adecuada se sabe que se puede obtener un super metal, pero esto conlleva el realizar una cantidad brutal de experimentos.

El hacer esto por el método de prueba y error es tan escandalosamente caro que casi nadie lo ha intentado. El único lugar del mundo en el cual durante mucho tiempo se hicieron investigaciones de este tipo fue en Taiwán. En el año 1995 el investigador Jien-Wei Yeh de la National Tsing Hua University de Taiwan, se atrevió a pensar en nuevas alternativas de aleaciones, sin necesidad de un metal dominante. Yeh pensó en la utilización de la entropía, que permitía cuantificar el desorden dentro de un sistema, basándose en lo que dictan las reglas de la termodinámica que señalan que mientras algo está más desordenado, es más estable. ¿Por qué entonces restringirse solo a aleaciones de un elemento principal con el agregado de pequeñas cantidades de otro? Bien pudieran ensayarse nuevas aleaciones de varios elementos (cinco, seis o incluso más) los que, en diversas proporciones, pueda prevenir la formación de claustros.

Fue así como Yeh y sus colaboradores comenzaron a trabajar en aleaciones de alta entropía y ya, al poco tiempo, lograron más de 40 mezclas de aleaciones diferentes con resultados muy promisorios: elementos resultaban más sólidos y resistentes a la corrosión. Su trabajo sistemático por diez años, cambiando las composiciones de elementos y comparando los resultados por rayos X y escáner microscópicos, consiguió nuevas aleaciones de metales adecuadas para resistir altas temperaturas. Una vez superada las desconfianzas, también otros investigadores se han ido sumando a la búsqueda de nuevas alternativas, como Dan Miracle que trabaja en el desarrollo de turbinas de jet en la Fuerza Aérea de Estados Unidos. También Dierk Raabe del Instituto Max Plank, que señala que las posibilidades de nuevas aleaciones son muchas, considerando que se pueden mezclar 5 o más elementos de los sesenta comúnmente usados, lo que significa innumerables nuevas posibilidades. «En la búsqueda hemos encontrado algunas pequeñas nuevas propiedades, mientras que otras los hallazgos han sido totalmente inesperados». Entre estas últimas se han logrado ventajas que permiten corregir el defecto de quebraduras. Todas las aleaciones conocidas llevan a elementos que se debilitan con el frío. Para ello Esso George de la Universidad de Ruhr en Bochum, Alemania, ha encontrado una aleación de alta entropía, formada por hierro, manganeso, níquel, cobalto y cromo, resistente a temperaturas aún más baja de -200 °C.

Pero los éxitos han sido muy limitados, la teoría es que, si mezclamos en las proporciones adecuadas hierro, manganeso, cobalto, cromo y algún elemento más, se podrían conseguir aleaciones de alta resistencia, muy ligeras, que tienen las características de un super metal.

En estos momentos si necesitamos un metal que soporte temperaturas elevadas, hacemos una aleación de acero con alto contenido de manganeso, si lo que queremos es una herramienta con una enorme resistencia a los esfuerzos se utilizaba cromo con vanadio además de hierro.

Pero la aleación que es muy buena para las herramientas es malísima para la alta temperatura o para soportar otro tipo de esfuerzos, no existe una aleación maestra que pudiera servir para muchas cosas simultáneamente.

Hay motivos suficientes para pensar que nos podemos acercar a una aleación maestra con el resultado de un metal ultra ligero, ultra resistente, etc.…

El caso es que el sentarse para realizar los experimentos sale demasiado caro y requiere mucho tiempo por lo que nadie quiere hacerlo.

Pero gracias a un trabajo de computación desarrollado en uno de los laboratorios mas avanzados que hay en el mundo ya empieza a ser posible hacer experimentos virtuales con super computadoras.

En los laboratorios AMES acaban de desarrollar una herramienta de computo que opera en super computadoras partiendo de principios básicos de la mecánica cuántica para diseñar aleaciones de metales, permitiendo predecir qué características va a tener una aleación con distintas proporciones en sus elementos químicos. Los experimentos ahora se hacen virtualmente. Simulando muchas aleaciones con diferentes proporciones de los elementos y el mismo sistema puede elegir las mejores según el criterio programado.

Una vez obtenidos los resultados solo nos quedaría realizar los experimentos con los mejores obtenidos por el equipo de cómputo para corroborar que se comportan según la predicción.

Esto recorta enormemente el costo del desarrollo de nuevos materiales.

Los modelos informáticos se emplean cada vez más en distintas industrias como ayuda en la evaluación del rendimiento de los productos fabricados, los procesos de selección y síntesis de materiales y el procesamiento de materiales en componentes. Comprobar las propiedades de los materiales no es sencillo, y los fenómenos subyacentes abarcan muy distintas escalas espaciales y temporales. La combinación de información a escalas cuántica, atómica, mesoscópica y macroscópica es fundamental en el desarrollo de modelos pluriescala capaces de describir y predecir el comportamiento de los materiales.

Ahora podemos diseñar aleaciones de alta resistencia inéditas. La enorme cantidad de combinaciones posibles hace que esto sea todo un hito, sobre todo teniendo en cuenta la dificultad que entraña encontrar aleaciones de alta entropía.

En materia practica se podría mejorar en mucho la eficiencia de los motores de turbina ya que están ligados a su baja densidad y temperatura soportada. Si un motor de turbina puede aumentar la temperatura en el centro del motor la eficiencia aumenta mucho, gasta menos combustible para llevar un avión de x peso a una x distancia.

La búsqueda de materiales con nuevas condiciones es cada vez más demandante, si se requiere mejorar la calidad de los elementos que la componen. Son muchas las posibles mezclas de elementos de la tabla periódica que aún están por ensayarse tratando de encontrar metales refractarios, resistentes a las más diferentes condiciones. Estos elementos incluyen, por ejemplo, molibdeno y niobium que tienen puntos de fusión muy altos, alrededor de 2500° C, comparados con el níquel 1455°C, que constituyen aleaciones en uso de los actuales motores de turbina de los aviones. Los investigadores que trabajan en estos temas están seguros que el capítulo de nuevas aleaciones no se ha sellado, sino que, por el contrario, este recién comienza a desarrollarse.

Si mejoramos unas pocas piezas metálicas en el interior de una turbina de un avión, podemos hacer que este consuma unas cuantas menos toneladas de combustible cada vez que cruce el atlántico, si esto lo llevamos a todos los aviones del mundo podemos conseguir un ahorro muy importante en el uso de combustible para una de las industrias mas cruciales para el funcionamiento correcto del mundo moderno.

Podría reducir en mucho el impacto ambiental de la industria aeronáutica y aumentar el volumen de trabajo. Podremos poner más aviones en el aire con menos impacto ambiental.

También podríamos utilizar estos materiales para construir grandes barcos más ligeros y resistente que los actuales lo que conlleva menos gasto de combustible…

Además, con las aleaciones adecuadas al generar metales que soportan mejor la fricción el tiempo de vida de los motores aguantaría mucho y reduciría el costo del mantenimiento aumentando mucho la confiablidad.

No importa por donde se mire, acabaremos ganando en dinero y en impacto ambiental.

Se abre por lo tanto una nueva esperanza en el mundo de las aleaciones metálicas, tan falto de aire fresco en los últimos tiempos.