La ingeniería de materiales está atravesando un momento dulce. Lo curioso es que el protagonismo que está adquiriendo esta disciplina se debe no tanto a sus logros, que poco a poco van llegando, como a su contribución esencial a algunas tecnologías que prometen tener un impacto muy profundo en nuestras vidas. Una de las que más miradas está atrayendo durante los últimos años es la fusión nuclear. Buena parte de los desafíos que conlleva en el terreno de la Física están resueltos, pero si queremos que lleguen las centrales de fusión nuclear comerciales tendremos que encontrar los materiales que necesitamos utilizar en las secciones críticas del reactor. Este es, precisamente, el propósito central del proyecto IFMIF-DONES.
En cualquier caso, este es solo uno de los muchos ámbitos en los que la innovación en materiales puede marcar la diferencia. El descubrimiento en el que vamos a indagar en este artículo ilustra a las mil maravillas la diversidad de aplicaciones que puede tener un nuevo material una vez que se conocen a fondo sus propiedades mecánicas y fisicoquímicas. Y es que un equipo de investigadores japoneses de la Universidad de Tohoku ha desarrollado una peculiar aleación de hierro que tiene una característica sorprendente: pertenece al selecto grupo de las aleaciones superelásticas. En cierto modo parece un superpoder, y, de hecho, lo es. Un superpoder que puede ayudarnos a sortear algunos de los desafíos que plantea la industria aeroespacial.
Este es el reto: preservar la superelasticidad en condiciones extremas
La elasticidad es una propiedad relativamente frecuente. Muchos materiales son capaces de soportar deformaciones mecánicas muy agresivas sin alcanzar su punto de ruptura, y de recuperar su forma original posteriormente una vez que la fuerza que ha provocado la deformación ha cesado. El problema es que esta característica está profundamente condicionada por las condiciones ambientales, y especialmente por la temperatura, de manera que cuando sometemos a algunos materiales elásticos a una temperatura que va más allá de un cierto rango su elasticidad natural puede verse comprometida.
Este es el aspecto que tiene un cilindro fabricado con la aleación de hierro superelástica con la que están trabajando los investigadores japoneses.
Las aleaciones superelásticas, como podemos intuir, son capaces de preservar su elasticidad en un rango de temperaturas muy amplio. Algunas de las más utilizadas son aquellas en las que prevalecen el titanio y el níquel debido a que mantienen sus características en una horquilla de temperaturas muy amplia que se extiende entre los -20 °C y los 80 °C. Sin embargo, acarrean un problema: estos metales son caros. Pero el hierro no lo es. Es abundante. Y es mucho más económico que el titanio y el níquel. Por esta razón una aleación que toma el hierro como elemento primordial resulta atractiva desde un punto de vista económico. Pero ¿qué sucede con sus propiedades mecánicas?
La elasticidad de esta nueva aleación de hierro se mantiene intacta en el abanico de temperatura que se extiende entre los -263 °C y los 200 °C
El grupo de investigadores japoneses que he mencionado en las primeras líneas del artículo ha descubierto que introduciendo en la aleación hierro, aluminio, níquel y cromo en distintas proporciones es posible alterar sensiblemente sus propiedades mecánicas. De hecho, el metal que condiciona en gran medida la elasticidad de la aleación es el cromo, de manera que actuando sobre su concentración han conseguido algo sorprendente: cuando la proporción de estos metales es la apropiada la elasticidad de la aleación resultante se mantiene intacta en el abanico de temperatura que se extiende entre los -263 °C y los 200 °C. Ahí es nada.
Las posibles aplicaciones de un material con unas características mecánicas y fisicoquímicas tan atractivas son muy numerosas, pero los investigadores que han dado con esta aleación barajan dos que pueden marcar la diferencia en otros tantos terrenos radicalmente alejados. Una de ellas consiste en utilizar esta aleación en los vehículos espaciales, que a menudo están sometidos a una oscilación térmica muy agresiva y a unas fuerzas igualmente rigurosas. Los componentes fabricados a partir de esta aleación superelástica podrían soportar impertérritos estas condiciones tan severas y recuperar su forma original.
La otra aplicación descrita por estos investigadores en el artículo que han publicado en Science consiste en utilizar este material en los elementos críticos de la estructura de los edificios y los puentes que pueden verse afectados por grandes movimientos sísmicos. Esta aleación se desmarca, de nuevo, gracias a su capacidad de soportar deformaciones muy agresivas y recuperar su forma original, de manera que puede afianzarse como un recurso muy valioso en la construcción de estructuras capaces de resistir terremotos que conllevan una enorme liberación de energía mecánica.
Imagen de portada | Engin Akyurt
Más información | Science | Universidad de Tohoku
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