Materiales nuevos a partir de simulaciones de física atómica
Las simulaciones computacionales basadas en teorías a nivel atómico desempeñarán un papel cada vez más importante en la búsqueda de materiales avanzados y de altas prestaciones. En la mayoría de los casos, dichos métodos proporcionan datos muy exactos relativos a las estructuras atómica, electrónica, química y magnética de los materiales. Los métodos basados en principios fundamentales también brindan la posibilidad de estudiar estructuras y fenómenos a nivel atómico a los que la capacidad experimental actual no tiene acceso. Los principales logros metodológicos del proyecto ALPAM (Atomic-level physics of advanced materials) comprenden un método del funcional de la densidad casi no uniforme de reciente desarrollo y una aproximación a nivel atómico a las propiedades termodinámicas y cinéticas de las aleaciones con grados de libertad magnética no triviales. Muy recientemente, bajo este proyecto se ha presentado una teoría a nivel atómico transparente sobre la plasticidad de los metales y aleaciones con estructura cúbica centrada en las caras. Las herramientas de este proyecto se han aplicado a la investigación de la transición de fase orden-desorden en algunas clases importantes de aleaciones magnéticas, incluidas las aleaciones intersticiales. Se ha abordado la termodinámica de diversos defectos puntuales y planares —vacantes, interfases y faltas de apilamiento— en aleaciones férricas y se han puesto al descubierto una serie de efectos anormalmente magnéticos. En aleaciones hierro-cromo-níquel (Fe-Cr-Ni, austenita), las energías de las faltas de apilamiento —que controlan los mecanismos de la deformación plástica— observan una dependencia fuertemente no lineal de la composición, lo cual se puede atribuir a la contribución magnética a la energía del defecto. Es indispensable conocer con exactitud las propiedades elásticas en muchas aplicaciones prácticas, entre ellas la modelización fenomenológica de los mecanismos de refuerzo. La mayoría de los problemas científicos que se abordan con este proyecto están estrechamente relacionados con problemas industriales importantes. Por ejemplo, se piensa que el efecto de la segregación fuera del equilibrio es el principal responsable de la disminución del cromo en los límites de grano del acero inoxidable austenítico sometido a irradiación, lo cual conduce a un agrietamiento por corrosión bajo tensión inducido por radiación, a menudo presente en accidentes ocurridos en centrales nucleares. La profundización lograda por el equipo de investigación en las propiedades electrónicas del hierro ha permitido asimismo llevar a cabo una labor interdisciplinar significativa en el campo de la geología. Se ha demostrado que bajo alta presión y temperatura, la fase cúbica centrada en el cuerpo del hierro es estable dinámicamente. Además, se ha demostrado que las propiedades de las aleaciones con estructura cúbica centrada en el cuerpo y alto contenido en hierro que contienen pequeñas proporciones de metales ligeros son coherentes con las indicadas por la sismología. Esto apunta a que las aleaciones de hierro con estructura cúbica centrada en el cuerpo constituyen modelos posibles del núcleo interior de la Tierra. El proyecto ALPAM ha permitido arrojar luz sobre las propiedades y procesos a escala atómica que se hallan detrás de las propiedades macroscópicas observadas en los materiales, y ha proporcionado datos exhaustivos sobre principios fundamentales dirigidos a la modelización multiescala. De todo ello se ha obtenido una información muy detallada sobre las relaciones entre composición, estructura y propiedades, los parámetros de interacción entre defectos y los mecanismos atomísticos de los procesos en las fases de las aleaciones tomadas como muestra.
Palabras clave
Física atómica, materiales avanzados, ALPAM, aleaciones, metales, propiedades elásticas