Científicos de Caltech han desarrollado un método para crear objetos metálicos con una forma y composición específicas, lo que les proporciona un control sin precedentes sobre las mezclas metálicas, o aleaciones, que crean y las propiedades mejoradas que presentarán.
¿Busca un stent biocompatible y mecánicamente robusto? ¿Qué le parecen componentes satelitales resistentes pero ligeros que puedan operar en el espacio durante décadas? La nueva técnica puede indicar a los científicos con exactitud qué combinación de metales producirá el mejor producto. Además, ofrece una vía para crear aleaciones con propiedades beneficiosas determinadas por su estructura subyacente, como las aleaciones de cobre-níquel sorprendentemente resistentes.
«Si observamos cómo se ha desarrollado la metalurgia durante siglos, a grandes rasgos, casi siempre se parte de un mineral en bruto, que luego se trata y refina térmica o químicamente para producir el metal o la aleación deseados. Y, básicamente, las propiedades mecánicas de los metales producidos de esta manera son limitadas», afirma Julia R. Greer , profesora Ruben F. y Donna Mettler de Ciencia de los Materiales, Mecánica e Ingeniería Médica en Caltech y directora ejecutiva de Física Aplicada y Ciencia de los Materiales en Caltech. «Lo que estamos demostrando es que es posible ajustar con precisión la composición química y la microestructura de los materiales metálicos, mejorando sustancialmente su resiliencia mecánica».
Greer y sus colegas describen el nuevo método en un artículo publicado en línea por la revista Small . El autor principal del artículo es Thomas T. Tran (doctorado ’25), y la segunda autora es Rebecca Gallivan (doctorada ’23), exmiembro del laboratorio de Greer y actual profesora adjunta de ingeniería en el Dartmouth College.
La nueva técnica se basa en trabajos previos del laboratorio Greer, en los que los científicos demostraron cómo utilizar un tipo de impresión 3D, o fabricación aditiva, para crear complejas estructuras metálicas a microescala. Anteriormente, esta técnica, denominada fabricación aditiva por infusión de hidrogel (HIAM), se había empleado para construir cuidadosamente estructuras a partir de un solo tipo de metal. En el nuevo trabajo, Tran ha descubierto una manera de infundir más de un metal a la vez, creando aleaciones de cobre-níquel con porcentajes específicos de cobre y níquel, diferencias que influyen en las propiedades del material.
El proceso comienza con la impresión 3D de un material de hidrogel orgánico, depositando la resina polimérica exactamente donde se desea, capa por capa, para crear una estructura gelatinosa. Esta estructura se impregna con iones metálicos vertiendo una solución líquida de sales metálicas sobre ella. A continuación, en un proceso llamado calcinación, los científicos queman el material, eliminando todo el contenido orgánico y dejando solo los metales. Dado que esto se realiza en presencia de oxígeno, el resultado es una mezcla de óxidos metálicos.
En un innovador paso posterior, denominado recocido reductivo, Tran eleva la temperatura en un entorno de hidrógeno, lo que provoca que la mayor parte del oxígeno se difunda fuera del sólido; posteriormente, reacciona con el hidrógeno para formar vapor de agua. Esto genera una estructura metálica con la forma deseada, una aleación de los dos metales añadidos.
«La composición se puede variar a voluntad, algo que no ha sido posible con los procesos metalúrgicos tradicionales», explica Greer. «Uno de nuestros colegas describió este trabajo como la modernización de la metalurgia».
Al analizar la microestructura, que incluye la orientación de los granos de cristal individuales y los límites entre ellos dentro de las aleaciones que produjeron, y al probar mecánicamente los materiales, los científicos pudieron revelar más sobre las aleaciones especiales hechas con la nueva técnica.
«Esto sienta las bases para concebir el diseño de aleaciones impresas en 3D de una forma única, diferente a otras técnicas de fabricación aditiva a microescala», afirma Gallivan. «Observamos que el entorno de procesamiento genera microestructuras muy diferentes a las de otros métodos».
Utilizando un microscopio electrónico de transmisión (MET) en el Instituto de Investigación de Materiales de la UC Irvine, los investigadores de Caltech demostraron que las aleaciones producidas mediante su método HIAM presentan una forma más homogénea, lo que resulta en mayores grados de simetría en toda su estructura cristalina, explica Tran. La forma, el tamaño y la orientación de los granos metálicos se ven influenciados por la transición entre el óxido y el metal durante el recocido reductor. A temperaturas elevadas, se forman poros al escapar el vapor de agua. El crecimiento de los granos metálicos se ve ralentizado por estos poros y óxidos. El nuevo trabajo muestra que este crecimiento se ve modificado por los tipos de óxidos presentes en estos metales impresos en 3D.
Como resultado, el nuevo artículo demuestra que la resistencia de las aleaciones creadas mediante HIAM está determinada no solo por el tamaño de los granos dentro de los metales, como se creía anteriormente, sino también por su composición. Una aleación de Cu12Ni88 con 12 átomos de cobre por cada 88 átomos de níquel, por ejemplo, es casi cuatro veces más resistente que una aleación de Cu59Ni41 con una proporción de cobre y níquel de 59/41.
Los estudios TEM también revelaron que el proceso HIAM deja en estas aleaciones pequeñas inclusiones de óxido que contribuyen a su excepcional resistencia. «Debido a la complejidad de la formación del metal durante este proceso, encontramos estructuras a nanoescala ricas en interfaces metal-óxido que contribuyen al endurecimiento de nuestras aleaciones hasta en un factor de cuatro», afirma Tran.
El artículo se titula «Caracterización microestructural y mecánica multiescala de aleaciones binarias de Cu-Ni reducidas durante la fabricación aditiva por infusión de hidrogel (HIAM)». El trabajo contó con el apoyo del programa de Ciencias Básicas de la Energía del Departamento de Energía de EE. UU. y de una beca de posgrado de la Fundación Nacional de Ciencias.
La ruta de fabricación para producir aleaciones de cobre y níquel utilizando la fabricación aditiva basada en infusión de hidrogel (HIAM).Crédito: Thomas Tran/Caltech
Los científicos de Caltech crearon diminutos pilares con las aleaciones que fabricaron mediante la técnica HIAM y los probaron mecánicamente. Esta gráfica muestra la resistencia (en el eje y) de pilares fabricados con tres aleaciones diferentes en función de su tamaño. La resistencia de los pilares depende no solo de su tamaño, sino también del número de defectos a nanoescala generados por la técnica HIAM, que varía según la composición.Crédito: Thomas Tran/Caltech
El paso final del HIAM elimina el oxígeno, dejando una aleación de cobre-níquel mayormente densa con la configuración deseada impresa en 3D. En este caso, se seleccionó una estructura de panal.Crédito: Thomas Tran/Caltech
Julia Greer, profesora Ruben F. y Donna Mettler de Ciencia de los Materiales, Mecánica e Ingeniería Médica y directora ejecutiva de Física Aplicada y Ciencia de los Materiales en CaltechCrédito: Oficina de Comunicaciones de EAS/Caltech
Caltech News. K. F. Traducido al español
