22 de noviembre de 2022
imagen de la microestructura de una aleación de alta entropía fabricada a partir de polvos de aleaciones “comodity”. Estructura de tipo “austenita”. Foto, cortesía de S. Venkatesh Kumaran

José Manuel Torralba, IMDEA MATERIALES

El Elinvar es un unicornio, un nuevo material que parecía imposible, creado por el ser humano utilizando principios que rozan la magia, los que permiten que existan aleaciones de alta entropía.

El Elinvar tiene una excepcional propiedad que tira por tierra cualquier libro de texto: es un metal que aumenta su rigidez cuando se calienta. ¿Dónde lo vamos a utilizar? Aún ni siquiera es posible fabricarlo a gran escala. Es solo un ejemplo de una nueva era que se está fraguando en laboratorios y centros de investigación punteros en el mundo: la era de las aleaciones de alta entropía.

La Agencia de Proyectos de Investigación Avanzados de Defensa (DARPA) y el laboratorio de investigación de la fuerza aérea de EE UU (AFRI) han invertido cuantiosos fondos en investigarlas. Su informe Defining Pathways for Realizing the Revolutionary Potential of High Entropy Alloy ha involucrado a los mejores laboratorios, universidades e investigadores especializados en los EE UU. Es muy posible que quien controle los materiales venideros, domine el mundo, como así ha ocurrido a lo largo de la historia del ser humano.

El poder político que supuso el cobre

Lingote de cobre minoico hallado en Zakros, Creta. Wikimedia Commons / Chris 73, CC BY-SA

8 000 años a. e. c., un ser humano, llevado por su curiosidad, tomó un trozo de cobre nativo que encontró paseando por el campo y, golpeándolo, descubrió que se deformaba, se endurecía y además podía tomar distintas formas. La humanidad vivía en el neolítico, y muchas herramientas que eran de piedra o madera se reemplazaron por herramientas de cobre. No solo fueron herramientas, también se desarrollaron armas de cobre muy eficientes. Los pueblos que conocieron este secreto, dominaron el mundo. Había nacido la edad del Cobre el periodo Calcolítico.

Unos pocos miles de años después, hacia el 5 000 a. e. c., en algún lugar cercano a la actual Turquía, posiblemente inspirados por las ensoñaciones que produce el fuego de campamento al anochecer, otros seres humanos descubrieron que puede extraerse abundante cobre líquido de unas arenas de características determinadas (malaquita y azurita), y que ese cobre se puede moldear con formas complejas.

La Tierra es una despensa de metales

El ser humano había descubierto que la Tierra es una despensa de metales, de la que, sabiendo cómo, se pueden extraer materiales con propiedades mágicas.

Tuvieron que pasar otros 2 000 años para que, alrededor del 3 000 a. e. c. y no muy lejos de aquella zona del mundo, trabajadores del cobre descubrieran que añadiéndole algo de estaño, el material resultante era más duro y resistente. Así nació una fórmula revolucionaria: la aleación, donde la suma es mucho mejor que las partes por separado y, con ella, la edad del Bronce.

Hacha doble de bronce de Messara, Creta. Wikimedia Commons / Chris 73, CC BY-SA

A lo largo de la historia, quién conocía los secretos de los materiales dominaba el mundo, y por ello hemos llamado a los periodos históricos con el nombre del material que permitió fabricar herramientas y armas más poderosas que las de nuestros enemigos: piedra, cobre, bronce, hierro… silicio, ¿carbono?

Los límites tecnológicos frenaron el milagro de las aleaciones

La posibilidad de hacer aleaciones parecía infinita, pero existe un límite en las propiedades que pueden alcanzarse en un metal con adiciones de otros. A partir de ciertas cantidades de componentes añadidos, la aleación que resulta, en vez de mejorar, empieza a presentar propiedades negativas, como por ejemplo la fragilidad.

Desde entonces hasta nuestros días, los metalúrgicos hemos sabido que había un límite en el número y porcentaje de aleantes que se pueden utilizar.

El geólogo y microscopista inglés Henry Clifton Sorby. Wikimedia Commons

A finales del siglo XIX, sir Henry Clifton Sorby desarrolló el microscopio que permitía observar la microestructura de los metales, y reveló la microestructura del acero. Entonces supimos que la perdida de propiedades se asociaba a la aparición de fases complejas (compuestos intermetálicos), normalmente frágiles, que aparecían en esa microestructura, y que eso ocurría cuando se alcanzaban determinadas proporciones de elementos de aleación.

Así entendíamos que el límite estaba en una o dos fases sencillas (normalmente llamadas cúbicas, porque los átomos se organizan formando cubos) para que las propiedades de una aleación sean las óptimas.

Las cuatro reglas que establecían los límites

El metalúrgico y científico de materiales William Hume-Rothery. Royal Society Publishing

En 1938 un químico-metalúrgico, William Hume-Rothery, definió unas reglas (las cuatro reglas de Hume-Rhotery) qué explicaban por qué sucedía esto. Si entre dos elementos de aleación no se cumplen estas reglas, no se formará una única fase donde los átomos de los dos ocupan las posiciones de esos cubos y, por tanto, se generan otras fases, más complejas, que harán peor al material.

Esas cuatro reglas están vinculadas a aspectos básicos de las propiedades de los átomos (tamaño, electronegatividad, valencia, tendencia a organizarse o no en cubos del mismo tamaño y configuración) y son las que han gobernado las aleaciones durante más de 5 000 años.

Alta entropía

Pero en 2004 todo cambio. Dos grupos de investigación, encabezados por Brian Cantor y Jien-Wei Yeh (de forma simultánea y en lugares distintos, algo muy usual en grandes hitos científicos), descubrieron y demostraron que si la entropía de la mezcla es suficientemente alta, por encima de un valor determinado, se pueden conseguir aleaciones de una única fase sencilla donde los átomos ocupan los distintos lugares del cubo de forma indistinta.

La entropía mide el mayor o menor desorden de las moléculas de cualquier material. Teniendo en cuenta ese desorden, y tras miles de años, Cantor y Yeh rompieron los límites, demostrando que pueden formarse aleaciones de muchos componentes de una sola fase, sin cumplir las reglas de Hume-Rothery, aumentando de forma ilimitada las posibles aleaciones viables. Así nació el concepto y fue el origen de las aleaciones de alta entropía.

Inicialmente solo se consideraron mezclas en las que todos los componentes están en la misma proporción, pero rápidamente se extendió el concepto a mezclas de muchos metales, pero no necesariamente equiatómicas (con equilibrio en el número de átomos).

Esta revolución en el mundo de los metales se acentuó al evaluar la propiedades de las aleaciones de alta entropía. Los materiales resultantes pueden competir con las mejores aleaciones ya conocidas en ámbitos como la alta temperatura, las propiedades magnéticas, el almacenamiento de hidrógeno, etc.

En apenas 18 años se ha pasado de aquellas dos primeras publicaciones de Cantor y Yeh, a más de 5 000 publicaciones relacionadas en el último año.

Estamos ante un descubrimiento similar al del bronce o el acero. Los materiales con los que contamos hoy están en el límite en todos los usos tecnológicos actuales y pequeñas mejoras pueden permitir, a esas tecnologías, saltos de gigante. Las aleaciones de alta entropía prometen esas mejoras.

Esquema de una configuración de una aleación convencional (a) y una aleación de alta entropía (b).

Las propiedades que esperamos para mejorar el mundo

Las combinaciones de elementos para crear aleaciones de alta entropía son casi ilimitadas, pero, a pesar de las nuevas técnicas de simulación, el decalaje entre el descubrimiento y desarrollo y la posibilidad de uso de un nuevo material para una nueva aplicación concreta puede llevar muchos años, especialmente en ámbitos como el biosanitario o el aerospacial.

En muchas de las posibles combinaciones de elementos se encuentran los llamados metales críticos, difíciles de conseguir, de alto precio y con efectos dañinos para la salud si se manipulan mal. Encontrar alternativas es también un reto de la Ciencia de Materiales.

Las aleaciones multicomponente también pueden ser la salida para el reciclado de metales difíciles de separar en la minería de la electrónica. Ya hay trabajos en los que se demuestra que es posible desarrollar aleaciones de alta entropía partiendo de aleaciones commodity ya fabricadas para otros usos, en cuyo desarrollo hemos participado desde el IMDEA materiales.

¿Estamos en los comienzos de una nueva era de la humanidad, la Edad de las Aleaciones de Alta Entropía? Pasarán siglos para tener la perspectiva que permita afirmarlo, pero no neguemos que tiene buena pinta.The Conversationhttp://theconversation.com/es/republishing-guidelines —>

José Manuel Torralba, Catedrático de la Universidad Carlos III de Madrid, IMDEA MATERIALES

Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation. Lea el original.