Un grupo de investigadores de la Universidad de Brown ha encontrado una forma de personalizar las estructuras de los granos metálicos desde la base. En un artículo publicado en la revista Chem, los investigadores muestran un método para unir nanoestructuras metálicas individuales y formar trozos de metal sólido a gran escala. Las pruebas mecánicas de los metales fabricados con esta técnica demostraron que eran hasta cuatro veces más duros que las estructuras metálicas tradicionales.
Y es que, si bien los metalúrgicos tienen todo tipo de formas de endurecer un trozo de metal: pueden doblarlo, deformarlo, pasarlo entre dos rodillos o golpearlo con un martillo, siendo métodos que funcionan rompiendo la estructura del grano del metal (los dominios cristalinos microscópicos que forman una pieza de metal), todavía controlar el tamaño obtenido sigue siendo dificil. Ante ello, y sabiendo que los granos más pequeños hacen que los metales sean más duros, las investigaciones han determinado una nueva técnica eficaz basada en un tratamiento químico a bloques de construcción de nanopartículas.
“El martilleo y otros métodos de endurecimiento son formas de alterar la estructura de los granos, pero es muy difícil controlar el tamaño obtenido”, dijo Ou Chen, profesor asistente de química en Brown y autor correspondiente de la nueva investigación.
“Lo que hemos hecho es crear bloques de construcción de nanopartículas que se fusionan al apretarlas. De este modo, podemos obtener tamaños de grano uniformes que pueden ajustarse con precisión para mejorar sus propiedades”.
Para este estudio, los investigadores fabricaron “monedas” a escala centimétrica utilizando nanopartículas de oro, plata, paladio y otros metales. Las piezas de este tamaño podrían ser útiles para fabricar materiales de revestimiento de alto rendimiento, electrodos o generadores termoeléctricos (dispositivos que convierten los flujos de calor en electricidad). Pero los investigadores creen que el proceso podría ampliarse fácilmente para fabricar revestimientos metálicos superduros o componentes industriales de mayor tamaño.
La clave del proceso, según Chen, es el tratamiento químico que se da a los bloques de construcción de las nanopartículas. Las nanopartículas metálicas suelen estar recubiertas de moléculas orgánicas llamadas “ligands”, que generalmente impiden la formación de enlaces metal-metal entre las partículas. Chen y su equipo encontraron una forma de eliminar esos “ligands” químicamente, lo que permite que los grupos se fusionen con sólo un poco de presión.
Las monedas de metal fabricadas con esta técnica eran sustancialmente más duras que el metal estándar, según demostró la investigación. Las monedas de oro, por ejemplo, eran entre dos y cuatro veces más duras de lo normal. Otras propiedades, como la conducción eléctrica y la reflectancia de la luz, eran prácticamente idénticas a las de los metales normales, según los investigadores.
Las propiedades ópticas de las monedas de oro eran fascinantes, dice Chen, ya que había un cambio de color espectacular cuando las nanopartículas se comprimían en el metal a granel.
“Debido a lo que se conoce como efecto plasmónico, las nanopartículas de oro tienen un color negro violáceo”, explica Chen.
“Pero cuando aplicamos presión, vemos que estos cúmulos de color púrpura se convierten de repente en un color dorado brillante. Esa es una de las formas de saber que realmente hemos formado oro a granel”.
En teoría, dice Chen, la técnica podría utilizarse para fabricar cualquier tipo de metal. De hecho, Chen y su equipo demostraron que podían fabricar una forma exótica de metal conocida como vidrio metálico.
Los vidrios metálicos son amorfos, es decir, carecen de la estructura cristalina que se repite regularmente en los metales normales. Esto les confiere unas propiedades extraordinarias. Los vidrios metálicos son más fáciles de moldear que los metales tradicionales, pueden ser mucho más fuertes y resistentes a las grietas, y presentan superconductividad a bajas temperaturas.
“Fabricar un vidrio metálico a partir de un solo componente es muy difícil, por lo que la mayoría de los vidrios metálicos son aleaciones”, explica Chen. “Pero pudimos empezar con nanopartículas de paladio amorfas y utilizar nuestra técnica para hacer un vidrio metálico de paladio”.
Chen dice que tiene la esperanza de que la técnica pueda utilizarse algún día en productos comerciales. El tratamiento químico utilizado en los nanoclusters es bastante sencillo, y las presiones empleadas para comprimirlos están dentro del rango de los equipos industriales estándar. Chen ha patentado la técnica y espera seguir estudiándola.
“Creemos que tiene mucho potencial, tanto para la industria como para la comunidad científica”, dijo Chen.
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