Método computacional descubre cientos de nuevas cerámicas para ambientes extremos

Un nuevo método computacional revela cientos de nuevos materiales cerámicos con una amplia gama de propiedades potencialmente disruptivas para la industria, como la electrónica que podría funcionar en un baño de lava.

Si tiene una preocupación profundamente arraigada y persistente por dejar caer su teléfono en lava fundida, está de suerte.

Un equipo de investigación dirigido por científicos de materiales de la Universidad de Duke ha desarrollado un método para descubrir rápidamente una nueva clase de materiales con tolerancias térmicas y electrónicas tan resistentes que podrían permitir que los dispositivos funcionen a temperaturas similares a las de la lava por encima de varios miles de grados centígrados.

Más duros que el acero y estables en ambientes químicamente corrosivos, estos materiales también podrían formar la base de nuevos recubrimientos, termoeléctricos, baterías, catalizadores y dispositivos resistentes a la radiación resistentes al desgaste y a la corrosión.

Las recetas para estos materiales (cerámicas fabricadas con carbonitruros o boruros de metales de transición) se descubrieron mediante un nuevo método computacional llamado Descriptor de entalpía-entropía desordenada (DEED).

En su primera demostración, el programa predijo la sintetizabilidad de 900 nuevas formulaciones de materiales de alto rendimiento, 17 de las cuales fueron probadas y producidas con éxito en laboratorios.

“La capacidad de descubrir rápidamente composiciones sintetizables permitirá a los investigadores centrarse en optimizar sus propiedades disruptivas en la industria“, dijo Stefano Curtarolo, Profesor Distinguido de Ingeniería Mecánica y Ciencia de Materiales de la Escuela Edmund T. Pratt Jr. en Duke.

El grupo Curtarolo mantiene la base de datos Duke Automatic-FLOW para materiales (AFLOW), una enorme reserva de datos de propiedades de materiales conectados a muchas herramientas en línea para la optimización de materiales.

Esta gran cantidad de información permite a los algoritmos predecir con precisión las propiedades de mezclas inexploradas sin tener que intentar simular las complejidades de la dinámica atómica o realizarlas en el laboratorio.

Durante los últimos años, el grupo Curtarolo ha estado trabajando para desarrollar poderes predictivos para materiales de “alta entropía” que obtienen una mayor estabilidad a partir de una mezcla caótica de átomos en lugar de depender únicamente de la estructura atómica ordenada de los materiales convencionales.

En 2018, descubrieron carburos de alta entropía, que eran un escenario de caso especial más simple.

“Todos los carburos de alta entropía tenían una cantidad relativamente uniforme de entalpía, por lo que podíamos ignorar parte de la ecuación“, dijo Curtarolo.

“Pero para predecir nuevas recetas cerámicas con otros metales de transición, tuvimos que abordar la entalpía”.

Para comprender mejor los conceptos de entropía y entalpía en esta aplicación, piense en un niño de 10 años que intenta construir una caseta para perros con una pila gigante de Legos.

Incluso con tipos limitados de bloques de construcción, habría muchos resultados de diseño posibles.

En términos simples, la entalpía es una medida de qué tan resistente es cada diseño y la entropía es una medida del número de diseños posibles que tienen una resistencia similar.

El primero promueve configuraciones ordenadas, como las que se pueden encontrar en los folletos de instrucciones.

Este último capta el caos inevitable que se produciría a medida que el niño dedicara más tiempo y energía al esfuerzo de construcción cada vez más confuso.

Ambos son una medida de la cantidad de energía y calor que terminan siendo absorbidos por el producto final.

“Para cuantificar rápidamente tanto la entalpía como la entropía, tuvimos que calcular la energía contenida en los cientos de miles de diversas combinaciones de ingredientes que potencialmente podríamos crear en lugar de las cerámicas que estábamos buscando“, dijo Curtarolo. “Fue una empresa gigantesca”.

Además de predecir nuevas recetas para cerámicas estables y desordenadas, DEED también ayuda a dirigir sus análisis adicionales para descubrir sus propiedades inherentes.

Para encontrar la cerámica óptima para diversas aplicaciones, los investigadores deberán perfeccionar estos cálculos y probarlos físicamente en laboratorios.

DEED está diseñado específicamente para un método de producción llamado sinterización por prensado en caliente.

Esto implica tomar formas en polvo de los compuestos constituyentes y calentarlos en el vacío hasta 2.200 grados centígrados mientras se aplica presión durante tiempos que pueden durar hasta unas pocas horas.

Entre todos los tiempos de preparación, reacción y enfriamiento, todo el proceso dura más de ocho horas.

“El paso final en la síntesis, llamado sinterización por plasma por chispa, es un método emergente en la ciencia de materiales que es común en los laboratorios de investigación“, dijo William Fahrenholtz, Profesor Distinguido de Ingeniería Cerámica de los Curadores en Missouri S&T.

La cerámica acabada tiene un aspecto metálico y luce gris oscuro o negro.

Se sienten como aleaciones metálicas como el acero inoxidable y tienen una densidad similar, pero su apariencia es mucho más oscura.

Y aunque parezcan metálicos, son duros y quebradizos como la cerámica convencional.

En el futuro, el grupo espera que otros investigadores comiencen a utilizar DEED para sintetizar y probar las propiedades de nuevos materiales cerámicos para diversas aplicaciones.

Dada la increíble variedad de propiedades y usos potenciales, creen que es sólo cuestión de tiempo antes de que algunos de ellos entren en producción comercial.

“La sinterización por plasma por chispa o tecnología de sinterización asistida en campo (FAST) aún no es una técnica común en la industria“, agregó Doug Wolfe, profesor de ciencia e ingeniería de materiales y vicepresidente asociado de investigación en Penn State.

“Sin embargo, los fabricantes de cerámica actuales podrían pasar a fabricar estos materiales haciendo pequeños ajustes en los procesos e instalaciones existentes“.

Fuente: Duke