La formación de metales supone un proceso químico y físico realmente complejo que depende de tantos factores que, en ocasiones, se escapan incluso a los científicos con más experiencia. Tanto en España como en el resto del mundo, los métodos más utilizados como la fundición, el mecanizado o el laminado afectan a los tamaños y las formas de los granos cristalinos que componen finalmente la pieza metálica.
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Pero la tecnología avanza y con ella la ingeniería de materiales que ve cómo aplicar las últimas innovaciones a esta rama industrial. Investigadores del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) han logrado definir qué es lo que ocurre exactamente cuando esos granos de cristal metálico se forman durante un proceso de deformación extrema mediante láser a una escala de pocos nanómetros de ancho.
Este nuevo hilo de investigación junto con los nuevos hallazgos estudiados podrían llevar desembocar en formas de procesamiento mejorados. Unos que consigan crear materiales con mejores propiedades —como la dureza y la tenacidad— y más consistentes. La investigación ha sido impulsada por el Departamento de Energía de Estados Unidos y el Consejo de Investigación de Ingeniería y Ciencias Naturales de Canadá.
Buscando la fórmula
Los nuevos descubrimientos, según indican desde el MIT, se han podido realizar gracias a una nueva técnica de análisis de imágenes con el que se consigue saber la estructura de los granos cristalinos. En el proyecto han trabajado varios profesores del Instituto y algunos excientíficos y exalumnos del centro.
"En el proceso de fabricación de un metal al que se está dotando de cierta estructura, ésta dictará sus propiedades [una vez esté] en servicio", ha comentado Christopher Schuh, profesor del MIT. Y es que, cuanto menor sea el tamaño del grano más fuerte será el metal resultante, por lo que las nuevas técnicas de fabricación pasan precisamente por empequeñecerlos al máximo.
Evolución de los granos cristalinos en el metal al aplicar la técnica
Desde hace mucho tiempo, los metalúrgicos llevan aplicando métodos desarrollados empíricamente para reducir el tamaño de los granos de una pieza de metal sólido. Técnicas que, en ocasiones, siguen los mismos patrones que hace cientos o miles de años consistentes en aplicar varios tipos de tensión a la pieza.
Uno de esos métodos más primarios es la recristalización, consistente en calentar y deformar el metal con el fin de crear nuevos núcleos cristalinos aprovechando los defectos naturales de la pieza original. "Pasas de una sopa desordenada de defectos a cristales nucleados nuevos. Y debido a que están recién nucleados, comienzan muy pequeños", explica el mismo Schuh. Creando una estructura con granos mucho más pequeños.
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Una parte importante de la nueva técnica del MIT pasa por conocer lo que ocurre a escala microscópica cuando se aplican este tipo de técnicas. Y otras más avanzadas que consiguen el mismo resultado "varios órdenes de magnitud más rápido".
"Usamos un láser para lanzar partículas de metal a velocidades supersónicas. Decir que sucede en un abrir y cerrar de ojos sería una subestimación increíble, porque podrías hacer miles de estos en un abrir y cerrar de ojos", comenta Schuh.
Forja
Este sistema basado en láser dispara partículas de 10 micrómetros a una superficie. "Podría disparar estas partículas una a una y realmente medir qué tan rápido van y qué tan fuerte golpean", señala. Variando la velocidad y mediante un equipo de microscopía muy sofisticada han podido ver cómo evolucionaba la estructura en el rango de los nanómetros.
El resultado, según indican desde el MIT, ha sido el descubrimiento de lo que Schuh ha definido como una "nueva manera" de formación de granos. A este nuevo método lo han llamado "recristalización asistida por nano-emparejamiento". Los científicos se dieron cuenta de que cuanto mayor era la tasa de estos impactos, más se reproducía el proceso, lo que conducía a granos cada vez más pequeños.
La hiperforja
En el experimento, los científicos del MIT optaron por usar cobre. Le aplicaron un proceso de "bombardeo" superficial con las partículas a alta velocidad mediante un láser y las conclusiones apuntan a que podrían aumentar la resistencia del metal unas 10 veces.
"Este no es un pequeño cambio en las propiedades", dice Schuh. Y es que ese resultado no es algo realmente desconocido pues sigue el mismo precepto que el endurecimiento de los golpes de martillo de una forja ordinaria. "Este es un tipo de fenómeno de hiperforja".
Forja
Los nuevos hallazgos proporcionan la información suficiente del grado de deformación necesario, qué tan rápido se produce esa deformación y las temperaturas que se deben usar para obtener el máximo efecto en cualquier metal. Pudiéndose aplicar directamente y de inmediato a la producción de metales en el mundo real.