Desde herreros que forjan hierro hasta artesanos que soplan vidrio, los humanos durante siglos han estado cambiando las propiedades de los materiales para construir mejores herramientas, desde herraduras y espadas de hierro hasta frascos de vidrio y frascos de medicinas.
En la vida moderna, se crean nuevos materiales para mejorar los elementos actuales, como acero más resistente para rascacielos y semiconductores más fiables para teléfonos móviles.
Ahora, los investigadores del Laboratorio Nacional de Argonne del Departamento de Energía DOE han descubierto un nuevo enfoque para detallar la formación de estos cambios materiales a escala atómica y en tiempo casi real, un paso importante que podría ayudar en la ingeniería mejor ynuevos materiales más fuertes.
En un estudio publicado el 16 de enero en Materiales naturales , los investigadores de Argonne's Advanced Photon Source, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE, revelan que han capturado, por primera vez, imágenes de la creación de defectos estructurales en el paladio cuando el metal se expone al hidrógeno.
Esta capacidad de generación de imágenes ayudará a los investigadores a validar modelos que predicen el comportamiento de los materiales y cómo forman defectos. La ingeniería de defectos es la práctica de crear intencionalmente defectos dentro de un material para cambiar las propiedades del material. Este conocimiento es clave para mejorar la ingeniería,Materiales más fuertes y confiables para edificios, semiconductores, baterías, dispositivos tecnológicos y muchos otros artículos y herramientas.
"La ingeniería de defectos se basa en la idea de que puede tomar algo de lo que ya conoce las propiedades y, al agregar defectos o imperfecciones, diseñar cosas con propiedades mejoradas", dijo el académico de Argonne, Andrew Ulvestad, uno de los autores del estudio.. "La práctica se aplica no solo a los metales, sino a cualquier material que tenga una estructura cristalina, como los que se encuentran en las células solares y los cátodos de las baterías".
La ingeniería de defectos se utiliza para optimizar el diseño de materiales en una variedad de campos, pero se asocia más comúnmente con el desarrollo de semiconductores. Los materiales semiconductores, como el silicio, se utilizan como componentes eléctricos; forman la base de la mayor parte de nuestra actualidad.electrónica, incluidas computadoras portátiles y teléfonos móviles.
En un proceso conocido como "dopaje", los fabricantes crean defectos en estos materiales al agregar impurezas con el fin de manipular sus propiedades eléctricas para diversos usos tecnológicos.
Si bien los fabricantes saben que pueden cambiar las propiedades de varios materiales para obtener los atributos que desean, los procesos que gobiernan estos cambios no siempre son claros.
Para aumentar la comprensión de dichos procesos, los investigadores de Argonne se centraron específicamente en la formación de defectos en la nanoescala. Los defectos, las interfaces y las fluctuaciones en este nivel muy pequeño pueden proporcionar información crítica sobre las funcionalidades de los materiales, como sus propiedades térmicas, electrónicas y mecánicas., a mayor escala.
Para capturar la formación de defectos, el equipo de Argonne tomó una muestra nanoestructurada de paladio y la inyectó, o infundió, con hidrógeno a alta presión. Al mismo tiempo, expuso la muestra a potentes rayos X en el Advanced PhotonFuente.
Al golpear el cristal de paladio, los rayos X se dispersaron y su patrón de dispersión fue capturado por un detector y utilizado para calcular los cambios en la posición de los átomos dentro de la estructura del paladio. Básicamente, este proceso permitió a los investigadores "ver" deformacionesdentro del material.
"De alguna manera, obtuvimos la oportunidad de uno en un millón, porque los defectos que ocurren dentro del cristal no siempre ocurren debido a la naturaleza compleja del proceso", dijo el físico de Argonne Ross Harder, otro autor en elestudio.
Los cambios que se muestran en las exploraciones ejemplifican las numerosas formas en que los defectos pueden alterar las propiedades de los materiales y cómo responden a los estímulos externos. Por ejemplo, los defectos que se formaron alteraron las presiones a las que el paladio podría almacenar y liberar hidrógeno, conocimiento quepodría ser útil para aplicaciones de almacenamiento, detección y purificación de hidrógeno, dijeron los investigadores.
Los enfoques de ingeniería de defectos ya se están utilizando para estudiar otros sistemas, incluidas las nanopartículas de cátodos de batería. Sin embargo, el estudio dirigido por Ulvestad y Harder es el primero en capturar la formación de defectos a medida que ocurren.
"Lo que hemos hecho es crear una hoja de ruta para otros investigadores. Les hemos mostrado una forma de modelar este sistema y sistemas que tienen dinámicas similares", dijo Ulvestad.
El estudio, titulado "Imágenes tridimensionales de la dinámica de la dislocación durante la transformación de la fase de hidruración", se publica en Materiales naturales .
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorio Nacional de Argonne . Original escrito por Joan Koka. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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