Partículas de oro con memoria mecánica. Teléfonos inteligentes que no se rompen

Créditos de las imagenes: Jess Watters.

Científicos Israel demostraron por primera vez el efecto de “memoria de la forma” en partículas de oro. Para comprender lo sorprendente que es este descubrimiento, podemos imaginar café derramado saltando desde el piso hacia la taza. O un automóvil que recupera su forma original luego de sufrir un accidente.

Investigadores del Technion y Alemania demostraron por primera vez los fenómenos de la memoria de formas y la autocuración en micropartículas de oro.

Esto se logra a través de la difusión mediada por defectos en la partícula.

El descubrimiento podría algún día conducir al desarrollo de micro y nano-robots capaces de auto repararse.

De este modo crear componentes y dispositivos mecánicamente estables y tolerantes a daños.

A la larga tendríamos la entrega de medicamentos dirigidos.

El estudio, publicado en Advanced Science, fue realizado por el estudiante de doctorado Oleg Kovalenko y el Dr. Leonid Klinger, dirigidos por el Prof. Eugen Rabkin.

Los materiales con memoria de forma se caracterizan por la capacidad de reparar el daño causado. Por ejemplo la deformación plástica y recuperar su forma original.

Estos materiales pueden existir en dos formas cristalinas estables. Austenita es la forma primaria más simétrica estable a temperaturas elevadas y martensita, que es una fase caracterizada por una menor simetría, pero también por una mayor resistencia.

Un ejemplo bien conocido de transición entre las dos fases es el enfriamiento del acero.

La transformación de la fase austenita en martensita puede activarse aplicando una carga mecánica al material o enfriándola.

La estructura de baja simetría de la martensita permite que el material absorba una considerable tensión plástica reorientando los cristales distorsionados de martensita de acuerdo con la dirección de la tensión aplicada.

Incluso después de la deformación plástica, los cristales de martensita “recuerdan” su fase de austenita original y son capaces de restaurarla en su configuración original.

Esto ocurrirá si el material se calienta, provocando la transformación de la fase martensita-austenita inversa y transformando la energía térmica en energía mecánica que restaurará el material a su forma original.

Hasta ahora, este efecto de memoria de forma solo se ha observado en muy pocas aleaciones metálicas como el Nitinol (Ni-Ti).

Estas aleaciones se caracterizan por polimorfismo – multiplicidad de posibles fases cristalinas estables. Esta es la primera vez que se demuestra el fenómeno de la memoria de formas en partículas de oro sub-micrométricas.

Como café que vuelve a la taza luego de volcarse.

Los investigadores operaron las partículas de oro con una punta afilada de diamante controlada por un microscopio atómico (AFM).

Partículas de oro a una temperatura de 600° C dieron como resultado la recuperación total del daño y la recuperación de la forma original de las partículas antes de la deformación. 600° C es aproximadamente el 65% de la temperatura de fusión absoluta del oro.

Según el profesor Rabkin, el descubrimiento del efecto de memoria de forma en estas partículas es sorprendente por dos razones.

“Primero, la forma original de las partículas no era perfecta en términos de energía y equilibrio termodinámico. En segundo lugar, el oro en su estado sólido no se caracteriza por el polimorfismo”.

Para comprender el proceso en profundidad, los investigadores investigaron el movimiento atómico durante la indentación y el calentamiento. Utilizaron simulaciones computarizadas de dinámica molecular molecular para lograrlo.

Demostraron que la deformación plástica durante el proceso de indentación está mediada por la nucleación y deslizamiento de semi-bucles de dislocación. Las dislocaciones defectos son lineales unidimensionales en el cristal a través del cual sufre deformación plástica.

Los bucles que salen de las superficies libres forman terrazas y salientes en las facetas planas de la partícula. Sirven por tanto como “rieles de guía”. Estas dirigen la difusión de los átomos de oro hacia el sitio durante el recocido a alta temperatura. Así la partícula recupera su forma original.

Tanto la deformación plástica como la difusión son ejemplos clásicos de procesos termodinámicamente irreversibles.

Es notable que una combinación de dos procesos irreversibles puede llevar a la recuperación de daños y la restauración reversible de la forma de una partícula.

Tabletas y teléfonos inteligentes que no se rompen.

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El profesor Rabkin dice que el efecto de auto-curación y memoria de forma descubierto en partículas de oro y micro-partículas metálicas podría utilizarse para el diseño de nuevos componentes. Entonces crear dispositivos mecánicamente estables y tolerantes a daños en la escala de longitud sub-micrométrica.

Por ejemplo, una de las principales razones del fallo de los dispositivos electrónicos móviles es el desgaste mecánico de los contactos eléctricos. Esto lo vemos mayormente en tabletas y teléfonos inteligentes.

Diseñar una geometría de contacto basada en el efecto de memoria de forma descubierta puede resolver este problema de una vez por todas.

La corriente eléctrica que fluye a través del contacto eléctrico calentará el área de contacto. Esto se utilizará como fuente de calor para reparar el daño mecánico del contacto.