Los materiales superduros pueden cortar, taladrar y pulir otros objetos. También tienen el potencial de crear recubrimientos resistentes a los arañazos que podrían ayudar a proteger los costosos equipos de daños.
Ahora, la ciencia está abriendo la puerta al desarrollo de nuevos materiales con estas cualidades seductoras.
Los investigadores han utilizado técnicas computacionales para identificar 43 formas de carbono previamente desconocidas que se cree que son estables y súper duras, incluidas varias que se prevé que sean un poco más duras o casi tan duras como los diamantes. Cada nueva variedad de carbono consiste en átomos de carbono dispuestos enun patrón distinto en una red cristalina.
El estudio, publicado el 3 de septiembre en la revista npj Materiales computacionales - combina predicciones computacionales de estructuras cristalinas con aprendizaje automático para buscar nuevos materiales. El trabajo es una investigación teórica, lo que significa que los científicos han predicho las nuevas estructuras de carbono pero aún no las han creado.
"Los diamantes son en este momento el material más duro disponible comercialmente, pero son muy caros", dice Eva Zurek, químico de la Universidad de Buffalo. "Tengo colegas que hacen experimentos de alta presión en el laboratorio, exprimiendo materiales entre diamantes yse quejan de lo caro que es cuando se rompen los diamantes.
"Nos gustaría encontrar algo más duro que un diamante. Si pudiera encontrar otros materiales que sean duros, podría hacerlos más baratos. También podrían tener propiedades útiles que los diamantes no tienen. Quizás interactúen de manera diferente concalor o electricidad, por ejemplo "
Zurek, PhD, profesor de química en la Facultad de Artes y Ciencias de la UB, concibió el estudio y co-dirigió el proyecto con Stefano Curtarolo, PhD, profesor de ingeniería mecánica y ciencia de materiales en la Universidad de Duke.
La búsqueda de materiales duros
La dureza se relaciona con la capacidad de un material para resistir la deformación. Como explica Zurek, significa que "si intenta sangrar un material con una punta afilada, no se hará un agujero, o el agujero será muy pequeño".
Los científicos consideran que una sustancia es súper dura si tiene un valor de dureza de más de 40 gigapascales, medido a través de un experimento llamado prueba de dureza Vickers.
Se pronostica que todas las 43 nuevas estructuras de carbono del estudio alcanzarán ese umbral. Se estima que tres exceden la dureza Vickers de los diamantes, pero solo un poco. Zurek también advierte que existe cierta incertidumbre en los cálculos.
Las estructuras más duras que los científicos encontraron tendían a contener fragmentos de diamante y lonsdaleita, también llamado diamante hexagonal, en sus redes cristalinas. Además de las 43 formas novedosas de carbono, la investigación también predice recientemente que varias estructuras de carbonoque otros equipos han descrito en el pasado serán superduros.
Acelerando el descubrimiento de materiales superduros
Las técnicas utilizadas en el nuevo documento podrían aplicarse para identificar otros materiales superduros, incluidos los que contienen elementos distintos al carbono.
"Se conocen muy pocos materiales superduros, por lo que es interesante encontrar otros nuevos", dice Zurek. "Una cosa que sabemos sobre los materiales superduros es que necesitan tener enlaces fuertes. Los enlaces carbono-carbono son muy fuertes, así quees por eso que analizamos el carbono. Otros elementos que normalmente se encuentran en los materiales superduros provienen del mismo lado de la tabla periódica, como el boro y el nitrógeno ".
Para realizar el estudio, los investigadores utilizaron XtalOpt, un algoritmo evolutivo de código abierto para la predicción de la estructura cristalina desarrollado en el laboratorio de Zurek, para generar estructuras cristalinas aleatorias para el carbono. Luego, el equipo empleó un modelo de aprendizaje automático para predecir la dureza de estos carbonoLas estructuras duras y estables más prometedoras fueron utilizadas por XtalOpt como "padres" para generar nuevas estructuras adicionales, y así sucesivamente.
El modelo de aprendizaje automático para estimar la dureza fue entrenado usando la base de datos Automatic FLOW AFLOW, una enorme biblioteca de materiales con propiedades que se han calculado. El laboratorio de Curtarolo mantiene AFLOW y previamente desarrolló el modelo de aprendizaje automático con el grupo de Olexandr Isayev en la Universidadde Carolina del Norte en Chapel Hill.
"Esto es el desarrollo acelerado de material. Siempre tomará tiempo, pero usamos AFLOW y el aprendizaje automático para acelerar en gran medida el proceso", dice Curtarolo. "Los algoritmos aprenden, y si ha entrenado bien el modelo, el algoritmo serápredecir las propiedades de un material, en este caso, la dureza, con una precisión razonable "
"Puede tomar los mejores materiales predichos utilizando técnicas computacionales y hacerlos de manera experimental", dice el coautor del estudio, Cormac Toher, PhD, profesor asistente de investigación de ingeniería mecánica y ciencia de materiales en la Universidad de Duke.
El primer y segundo autores del nuevo estudio son el graduado de doctorado UB Patrick Avery y el estudiante de doctorado UB Xiaoyu Wang, ambos en el laboratorio de Zurek. Además de estos investigadores, Zurek, Curtarolo y Toher, los coautores del artículo incluyen CoreyOses y Eric Gossett de la Universidad de Duke y Davide Proserpio de la Universitá degi Studi di Milano.
La investigación fue financiada por la Oficina de Investigación Naval de los EE. UU., Con el apoyo adicional de la Universitá degi Studi di Milano y el apoyo computacional del Centro de Investigación Computacional de la UB.
npj Materiales computacionales - parte de la serie Nature Partner Journals - es una revista de Nature Research publicada por Springer Nature en colaboración con el Instituto de Cerámica de Shanghai, Academia de Ciencias de China.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Buffalo . Original escrito por Charlotte Hsu. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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