Impresionante descubrimiento: metales que pueden «curarse» a sí mismos

Los experimentos realizados en el Laboratorio Nacional de Sandia (SNL) en Nuevo México, EE.UU., han demostrado que las grietas microscópicas en los metales pueden desaparecer, lo que abre la posibilidad de desarrollar máquinas con la capacidad de autorrepararse.

El verde marca el lugar donde se formó una fisura, luego se volvió a fusionar en esta representación artística de autocuración a nanoescala en metal, descubierta en el Laboratorio Nacional de Sandia. Las flechas rojas indican la dirección de la fuerza de tracción que desencadenó inesperadamente el fenómeno. Crédito: Dan Thompson.

Los científicos han sido testigos por primera vez de piezas de metal que se agrietan y luego se fusionan sin intervención humana, anulando teorías científicas fundamentales en el proceso. Si se puede aprovechar el fenómeno recién descubierto, podría marcar el comienzo de una revolución de la ingeniería, una en la que los motores, puentes y aviones podrían revertir por sí mismos el daño causado por el desgaste, haciéndolos más seguros y duraderos.

El equipo de investigación del SNL y la Universidad de Texas A&M, describió sus hallazgos esta semana en la revista Nature.

«Fue absolutamente impresionante verlo de primera mano», dijo Brad Boyce, científico de materiales del SNL. «Lo que hemos confirmado es que los metales tienen su propia capacidad intrínseca y natural para curarse a sí mismos, al menos en el caso de daño por fatiga a nanoescala».

El daño por fatiga es una forma en que las máquinas se desgastan y eventualmente se rompen. El estrés o el movimiento repetido provoca la formación de grietas microscópicas. Con el tiempo, estas grietas crecen y se extienden hasta que ¡chasquean! Todo el dispositivo se rompe o, en la jerga científica, falla.

La fisura que el equipo del SNL vio desaparecer era una de estas pequeñas pero importantes fracturas, medidas en nanómetros.

Observaciones detalladas del proceso de curación. Crédito: C.M. Barr et al., Nature 2023.

«Desde las juntas de soldadura en nuestros dispositivos electrónicos hasta los motores de nuestros vehículos y los puentes sobre los que conducimos, estas estructuras a menudo fallan de manera impredecible debido a la carga cíclica que conduce al inicio de grietas y, finalmente, a la fractura», explicó Boyce. «Cuando fallan, tenemos que lidiar con los costos de reemplazo, el tiempo perdido y, en algunos casos, incluso con lesiones o pérdida de vidas. El impacto económico de estas fallas se mide en cientos de miles de millones de dólares cada año para los EE.UU.»

Aunque los científicos han creado algunos materiales autorreparables, en su mayoría plásticos, la noción de un metal autorreparable ha sido en gran parte dominio de la ciencia ficción.

«Solo se esperaba que las grietas en los metales se hicieran más grandes, no más pequeñas. Incluso algunas de las ecuaciones básicas que usamos para describir el crecimiento de grietas excluyen la posibilidad de tales procesos de curación», dijo Boyce.

Confirmado por el creador de la teoría

En 2013, Michael Demkowicz —entonces profesor asistente en el departamento de ciencia e ingeniería de materiales del Instituto Tecnológico de Massachusetts, ahora profesor titular en Texas A&M— comenzó a trabajar en materiales convencionales y publicó una nueva teoría que, basada en hallazgos en simulaciones por computadora, sostenía que bajo ciertas condiciones el metal debería ser capaz de soldar las grietas cerradas formadas por el desgaste.

El descubrimiento de que su teoría era cierta se produjo inadvertidamente en el Centro de Nanotecnologías Integradas, una instalación para usuarios del Departamento de Energía operada conjuntamente por los laboratorios nacionales Sandia y Los Alamos.

«Ciertamente no lo estábamos buscando», dijo Boyce.

Khalid Hattar, ahora profesor asociado en la Universidad de Tennessee, Knoxville, y Chris Barr, que ahora trabaja para la Oficina de Energía Nuclear del Departamento de Energía, estaban realizando el experimento en el SNL cuando se produjo la serendipia. Solo tenían la intención de evaluar cómo se formaron las grietas y se extendieron a través de una pieza de platino a nanoescala, utilizando una técnica de microscopio electrónico especializada que habían desarrollado para tirar repetidamente de los extremos del metal 200 veces por segundo.

El investigador del Laboratorio Nacional Sandia, Ryan Schoell, utiliza una técnica especializada de microscopio electrónico de transmisión desarrollada por Khalid Hattar, Dan Bufford y Chris Barr para estudiar las grietas por fatiga a nanoescala. Crédito: Craig Fritz.

Sorprendentemente, unos 40 minutos después del experimento, el daño cambió de rumbo. Un extremo de la grieta se fusionó como si estuviera volviendo sobre sus pasos, sin dejar rastro de la lesión anterior. Con el tiempo, la grieta volvió a crecer en una dirección diferente.

Hattar lo llamó una «visión sin precedentes».

Boyce, que conocía la teoría, compartió sus hallazgos con Demkowicz.

«Por supuesto, me alegró mucho escucharlo», comentó Demkowicz. Luego, el profesor recreó el experimento en un modelo de computadora, lo que demuestra que el fenómeno presenciado en el SNL era el mismo que había teorizado años antes.

Su trabajo fue apoyado por la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía, Ciencias Energéticas Básicas; la Administración Nacional de Seguridad Nuclear y la Fundación Nacional de Ciencias.

El Laboratorio Nacional de Sandia (en inglés: Sandia National Laboratories) es un laboratorio administrado y operado por la Corporación de Sandia (una filial de la Lockheed Martin Corporation) y uno de los mejores laboratorios nacionales de investigación y desarrollo del Departamento de Energía de los Estados Unidos con dos localizaciones, una en Albuquerque (Nuevo México) y otra en Livermore (California).

Aún se desconoce mucho sobre el proceso de autorreparación, incluido si se convertirá en una herramienta práctica en un entorno de fabricación.

«Es probable que la medida en que estos hallazgos sean generalizables se convierta en un tema de investigación exhaustiva», señaló Boyce. «Mostramos que esto sucede en metales nanocristalinos en el vacío. Pero no sabemos si esto también se puede inducir en metales convencionales en el aire».

Sin embargo, a pesar de todas las incógnitas, el descubrimiento sigue siendo un salto adelante en la frontera de la ciencia de los materiales.

«Espero que este hallazgo aliente a los investigadores de materiales a considerar que, en las circunstancias adecuadas, los materiales pueden hacer cosas que nunca esperábamos», concluyó Demkowicz.

Fuente: SNL. Edición: MP.