Cuando la mayoría de las personas piensa en la cerámica, puede imaginar su taza o maceta favorita. Pero la tecnología moderna está llena de cerámica avanzada, desde paneles solares de silicio hasta superconductores de cerámica e implantes biomédicos.
Muchas de esas cerámicas policristalinas avanzadas son combinaciones de granos cristalinos que, a nivel microscópico, se asemejan a una valla de piedra unida con mortero de piedra caliza. Al igual que esa valla, la resistencia de la cerámica está determinada por la resistencia del mortero, queen cerámica es el límite del grano, o las áreas donde se encuentran los diferentes granos.
Anteriormente, la mayoría de los investigadores creían que la química de estos límites de grano en cerámica era muy estable. Pero un nuevo estudio realizado por ingenieros de ciencia de materiales en la Universidad de Wisconsin-Madison muestra que ese no es el caso. De hecho, en el importante material cerámico carburo de silicio, los átomos de carbono se acumulan en esos límites de grano cuando el material está expuesto a la radiación. El hallazgo podría ayudar a los ingenieros a comprender mejor las propiedades de la cerámica y podría ayudar a afinar una nueva generación de materiales cerámicos.
Los detalles del estudio aparecen hoy en la revista Materiales de la naturaleza .
Desde la década de 1970, los investigadores han sido conscientes de una segregación similar inducida por la radiación en las aleaciones metálicas. Debido a que los átomos metálicos comparten electrones libremente, pueden mezclarse y desmezclarse fácilmente. Cuando son bombardeados por la radiación iónica, algunos de los átomos en ellos metales saldrán de su lugar y se moverán hacia los límites del grano, y si diferentes tipos de átomos se mueven a diferentes velocidades, la química de la aleación puede ser alterada.
Los átomos en la cerámica son muy selectivos sobre con qué vecinos se unen y los enlaces son mucho más fuertes que en los metales. Por eso los investigadores creían que estos átomos no estaban sujetos al mismo tipo de segregación. Pero cuando Izabela Szlufarska, profesora de materialesciencia e ingeniería en UW-Madison, comenzó a mirar de cerca los límites del grano de carburo de silicio, eso no fue lo que encontró.
"En el carburo de silicio, el silicio y el carbono realmente quieren combinarse; quieren ser 50 por ciento de carbono y 50 por ciento de silicio", dice ella.
Sin embargo, cuando su equipo realizó simulaciones y también tomó imágenes de los límites de grano, la concentración de carbono fue solo del 45 por ciento en los límites. "La química estaba realmente mal", dice. "Esa fue la primera sorpresa, ya que este material realmentequiere tener átomos ordenados "
Esto sugirió que el carburo de silicio también podría ser susceptible a la segregación inducida por la radiación. Entonces Szlufarska y su equipo bombardearon la sustancia con radiación iónica, encontrando que entre 300 grados Celsius y 600 grados Celsius, los límites de grano experimentaron enriquecimiento de carbono.
En esos niveles de energía, la radiación hace que algunos átomos de carbono salgan de su lugar, creando un par de defectos en el carburo de silicio, incluido un lugar vacío llamado vacante y un átomo de carbono suelto llamado intersticial. Esos átomos intersticiales no unidos migran alos límites de grano donde se acumulan, afectando la química del material.
Además del hecho de que los investigadores simplemente no creían que este tipo de segregación pudiera tener lugar en la cerámica, Szlufarska dice que, hasta hace poco, tampoco tenían las herramientas para investigar el fenómeno. Después de la fabricación y preparación minuciosas del carburo de silicio bi-cristales, microscopía electrónica de transmisión de barrido de última generación realizada en el UW-Madison y el Laboratorio Nacional de Oak Ridge permitieron al equipo resolver la composición química a lo largo de los límites del grano.
El equipo cree que es probable que el fenómeno ocurra también en otras cerámicas policristalinas. El proceso es un arma de doble filo: por un lado, la segregación inducida por la radiación significa que las cerámicas están sujetas a los mismos tipos de daños y deterioro en sulímites de grano como aleaciones metálicas, aunque a diferentes temperaturas. Por otro lado, la segregación podría ser útil en la ingeniería de materiales para producir versiones especializadas de cerámica como el carburo de silicio, que se utiliza en energía nuclear, motores a reacción y otras aplicaciones de alta tecnología.
"Tal vez la radiación se pueda usar como una herramienta para ajustar la química del límite de grano", dice Xing Wang, coautor del estudio y profesor de la Universidad Estatal de Pensilvania que trabajó en la investigación mientras obtenía su doctorado en UW-Madison ".Eso podría sernos útil en el futuro "
Esta investigación fue apoyada por subvenciones del Departamento de Energía de los EE. UU. DE-FG02-08ER46493 y la National Science Foundation DMR-1720415.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Wisconsin-Madison . Original escrito por Jason Daley. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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