Una nueva cerámica china puede doblarse como el metal

Oct 04, 2023

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Investigadores chinos han creado la primera sustancia cerámica del mundo que puede flexionarse como el metal. Este desarrollo, de ser cierto, podría mejorar las articulaciones artificiales y el rendimiento del motor.

Antes de este descubrimiento, se creía comúnmente que la flexibilidad y la resistencia de una cerámica eran opuestas y que cualquiera empeoraría si la otra mejoraba.

Chen Kexin, un científico de materiales que dirigió la investigación, dice que el nuevo material es la primera vez que los científicos lo hacen más fuerte y más liviano al mismo tiempo. Tiene la dureza de la cerámica y la flexibilidad del metal.

"Esta cerámica puede traer revoluciones tecnológicas a muchas industrias", dijo Chen, profesor del departamento de ingeniería y ciencias de los materiales de la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China.

El 27 de octubre, Chen y sus asociados de la Universidad de Tsinghua publicaron sus hallazgos en la revista Science. En un artículo de opinión en la misma edición de Science, Erkka Frankberg de la Universidad de Tampere en Finlandia dijo que el descubrimiento "podría conducir a materiales que son más livianos y resistentes que incluso las mejores aleaciones de metal de la actualidad".

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"Ha habido investigaciones sobre la plasticidad de la cerámica en todo el mundo desde que comencé mi carrera hace 30 años. Se puede decir que hoy finalmente hemos logrado un gran avance en ese tema", dijo Chen.

Los científicos crearon nanopilares con dos formaciones de cristales diferentes utilizando nitruro de silicio. Cuando se pone una fuerza externa en una estructura cristalina, puede cambiar a otro tipo. Esto permite que el material se doble antes de volver a su forma original.

La sustancia puede ser particularmente ventajosa para crear motores aeronáuticos. Los materiales cerámicos son duraderos, livianos y tolerantes al calor. Los motores cerámicos flexibles pueden funcionar a temperaturas significativamente mayores y con una eficiencia de combustible mucho mejor que los motores de aleación típicos.

Un motor cerámico podría moverse mucho más rápido que un motor de aleación porque sería mucho más ligero. La tensión en otros componentes se reduce al aligerar el motor.

La sustancia también podría aplicarse a motores de automóviles. Un motor cerámico puede tener un tanque de refrigerante más pequeño debido a la resistencia al calor superior de los materiales cerámicos a las aleaciones. Las temperaturas de combustión más altas de un motor cerámico pueden producir más empuje y menos contaminación.

Las cerámicas hechas de nitruro de silicio pueden reemplazar al metal en los reemplazos articulares porque son biocompatibles, livianos y resistentes a las bacterias. La mayoría de las articulaciones protésicas hechas de metal deben reemplazarse cada diez años, lo cual es costoso y doloroso.

"Las articulaciones artificiales hechas con cerámica pueden durar toda la vida después de la implantación", explicó Chen.

Chen también dijo que el material podría usarse para fabricar cojinetes, una parte esencial de las turbinas eólicas que conectan el generador con las aspas del ventilador. La durabilidad de cada cojinete, que debe soportar varias toneladas de presión durante su uso, afecta la vida útil general del sistema.

"Nuestras cerámicas de nitruro de silicio flexibles podrían usarse para fabricar rodamientos que duren más, lo que reduciría el costo promedio de la energía eólica", explica Chen.

"Es posible producir este material cerámico flexible a gran escala en base a nuestros experimentos. Hay una ventaja de precio obvia en el campo de los equipos de alta gama", agregó.

Dio el ejemplo de los costosos minerales de tierras raras que se utilizan para fabricar las palas de turbina monocristalinas que se utilizan en los motores a reacción. Al mismo tiempo, el nitruro de silicio más caro se vende a unos 200 dólares el kilogramo.

"Seguiremos mejorando este material cerámico sobre la base de nuestro trabajo actual. Una vez que abres una puerta, hay un amplio mundo detrás", dijo Chen.

Puede ver el estudio por sí mismo en la revista Science.

Resumen del estudio:

"Las cerámicas unidas covalentemente exhiben propiedades sobresalientes, que incluyen dureza, resistencia, inercia química y resistencia contra el calor y la corrosión, pero su aplicación más amplia es un desafío debido a su fragilidad a temperatura ambiente. A diferencia de los átomos en los metales que pueden deslizarse a lo largo de los planos de deslizamiento Para adaptarse a las deformaciones, los átomos en las cerámicas unidas covalentemente requieren la ruptura de enlaces debido a las características fuertes y direccionales de los enlaces covalentes. Esto finalmente conduce a fallas catastróficas en la carga. Presentamos un enfoque para diseñar cerámicas deformables de nitruro de silicio unido covalentemente (Si3N4) que presentan una estructura de doble fase con interfaces coherentes. El cambio de enlace sucesivo se realiza en las interfaces coherentes, lo que facilita una transformación de fase inducida por el estrés y, eventualmente, genera deformabilidad plástica".