Aleaciones de alta entropía: ¡que viva el desorden¡

Cuando estudiamos los materiales presentes en la naturaleza, nos damos cuenta de que estos existen fruto de un equilibrio tras millones años de transformaciones incesantes. La metalurgia va a representar un conjunto de técnicas que contra-natura buscan revertir este equilibrio existente, para obtener metales o aleaciones metálicas adaptadas a nuestras necesidades. 

Este delito que comentemos los metalúrgicos exige como compensación el uso de una gran cantidad de energía y la gestación de estructuras ordenadas, como primer paso para la génesis de un nuevo caos. Una vez trasladados a estado puro los diferentes metales, empieza el juego de los alquimistas actuales para buscar las combinaciones que nos permitan encontrar las piedras filosofales de los tiempos modernos. 

Estas piedras filosofales en forma de materiales muy ligeros o que sean capaces de soportar las condiciones ambientales más extremas, o incluso travesías interestelares, no dejan de quitarnos el sueño, ni de ilusionarnos en nuestro día a día. La combinatoria entre elementos no es fruto del azar y es fácilmente explicable por las leyes de una rama de la física llamada termodinámica, que refleja lo que ya es un secreto a voces en nuestra sociedad. Después de un día de trabajo, a cuantos no nos ocurre que lo más probable  es que nos tumbemos en el sofá a ver la televisión y que dejemos la ropa “más o menos colocada en su sitio”. Sin darnos cuenta, estamos experimentando uno de los principios de la termodinámica relacionado con la espontaneidad de las reacciones químicas y contribuyendo de esta forma al equilibrio del universo (esto último lo digo para que no nos sintamos culpables). La espontaneidad de una reacción química viene por lo tanto definida por la energía libre de GIBBS, que sin entrar en demasiados detalles, nos indica como los sistemas son tanto más espontáneos cuando la combinación de los elementos químicos generan una mayor liberación de energía, es decir, tendemos a la menor energía y a un mayor desorden.

Dentro del mundo de los metales y las aleaciones metálicas, el enlace metálico es el hilo conductor y responsable de las características de los mismos. Este enlace es el más solidario de todos los existentes, ya que los electrones son compartidos entre todos los átomos dando como resultado uniones que se estiran o deforman casi hasta el infinito antes de separarse para siempre. Sin embargo las características de los metales puros no son ideales para una sociedad en las que las ambiciones de poder, ocio o exploración han introducido nuevas reglas del juego en el tablero del conocimiento. El inicio de una deformación permanente en un material interesa que comience asociada al esfuerzo mayor posible, cercano a la rotura del mismo (lo que es conocido como límite elástico), imaginemos por un momento que vamos montados en un coche y que el muelle de un amortiguador acabara deformado permanentemente con el primer bache. El resto de baches o impactos del camino los acabaría absorbiendo el chasis del coche y, por simpatía, nosotros mismos. La metalurgia ha encontrado diversos caminos para conseguir que un metal puro desarrolle propiedades a la carta, que lo conviertan en el candidato perfecto para su uso en bienes manufacturados con prestaciones muy específicas.

Los principios asociados a las transformaciones que hacen que un metal pase a ser de un elemento ornamental a una aleación valedora del avance de nuestra sociedad, son los siguientes.

• Solución sólida de un elemento metálico o semimetálico, en el que constituye el metal base de una aleación. De esta forma se consigue que de forma sustitucional, colocándose en lugar de un átomo del metal base en la red o intersticial entre los huecos de la red, el desplazamiento de los planos cristalográficos quede impedido por la presencia de estas distorsiones en la red.

• Endurecimiento por precipitación, donde compuestos generados en la solidificación de la aleación o durante tratamientos térmicos posteriores de pequeño tamaño, se encuentran distribuidos en la estructura del metal base, impidiendo el libre desplazamiento de los átomos una vez aplicado un esfuerzo.

• Precipitación de fases más duras en la matriz del metal base que generan una mayor dureza superficial y reducen las propiedades de alargamiento del material.

La metalurgia soportada en los principios antes descritos, siempre ha estado basada en un metal base al que se le iban añadiendo los elementos acondicionadores de sus propiedades finales. La solución sólida de los metales como concepto ha estado limitada fundamentalmente a pares de metales, y/o a concentraciones en rangos estrechos de aquellos añadidos frente al metal base mayoritario. El aumento o la introducción de otro metal, o la variación de la concentración de uno de ellos, provocan de forma casi inmediata la aparición de fases estables (como puede verse en la figura adjunta), que en muchos casos generan fenómenos indeseables como una gran fragilidad o la corrosión de la aleación. 

Fases frágiles de Fase σ en una aleación compleja 

Los últimos estudios han cuestionado esta teoría porque se ha observado cómo mezclas de metales en proporciones similares, generaban en muchas ocasiones soluciones sólidas, sin que aparecieran fases estables. La termodinámica viene a sacarnos del apuro y nos explica que esta situación es tal, ya que el desorden generado es superior a la energía liberada por las fases que se forman. 

La nueva línea de investigación descubierta ha dado pie al nacimiento de las llamadas aleaciones de alta entropía, dentro de las cuales se viene trabajando sobre familias que pretenden ser alternativas más ligeras a las super-aleaciones utilizadas en sectores extraordinariamente exigentes como el aeronáutico, y que buscan alcanzar características superiores de dureza y resistencia a altas temperaturas, o una mejor relación densidad vs características mecánicas que las aleaciones más ligeras conocidas hasta la fecha.

Se abre por lo tanto una nueva esperanza en el mundo de las aleaciones metálicas, tan falto de aire fresco en los últimos tiempos. Por eso aprovecho para lanzar la arenga de “¡Que viva el desorden!”, aunque espero que mi hijo no lea este blog, porque después de esto no voy a tener argumentos para hacer que recoja su habitación.