Aleaciones de alta entropía: desorden estructural y propiedades magnéticas

Las aleaciones de alta entropía (HEA) son materiales prometedores para la catálisis y el almacenamiento de energía, y al mismo tiempo son extremadamente duras, resistentes al calor y muestran una gran variabilidad en su comportamiento magnético. Ahora, un equipo del BESSY II, en colaboración con la Universidad del Ruhr de Bochum, el BAM, la Universidad Libre de Berlín y la Universidad de Letonia, ha obtenido nuevos conocimientos sobre el entorno local de una aleación Cantor de alta entropía compuesta por cromo, manganeso, hierro, cobalto y níquel, y ha podido así explicar parcialmente las propiedades magnéticas de una película nanocristalina de esta aleación.

Las aleaciones de alta entropía o HEA están formadas por cinco o más elementos metálicos diferentes y constituyen una clase de materiales sumamente interesante con una gran diversidad de aplicaciones potenciales(véase la entrevista más abajo). Dado que sus propiedades macroscópicas dependen en gran medida de las interacciones interatómicas, resulta sumamente interesante sondear la estructura local y el desorden estructural en torno a cada elemento individual mediante técnicas específicas para cada elemento. Ahora, un equipo ha examinado la llamada aleación Cantor, un sistema modelo para estudiar los efectos de la alta entropía en las escalas local y macroscópica.

Una caja de herramientas en BESSY II

Para investigar el entorno local de los componentes individuales, el equipo utilizó la espectroscopia de absorción de rayos X de bordes múltiples (EXAFS) en BESSY II y luego el método Monte Carlo inverso para analizar los datos recogidos. Las propiedades magnéticas de cada elemento de la aleación se sondearon además mediante la técnica de dicroísmo circular magnético de rayos X (XMCD). Mediante la magnetometría convencional, los científicos comprobaron la presencia de transiciones de fase magnética y encontraron algunas firmas de un ordenamiento magnético complejo con coexistencia de diferentes fases magnéticas.

Tendencias comunes en las muestras a granel y en las nanopelículas

Los resultados de la película nanocristalina examinada de esta aleación demuestran algunas tendencias comunes en comparación con una muestra a granel, por ejemplo, las mayores relajaciones de la red del cromo y un comportamiento magnético aún intrigante del manganeso, que son coherentes con el comportamiento magnético macroscópico de la película.

"Las aleaciones de alta entropía son una clase de materiales extremadamente diversa y apasionante", afirma la Dra. Alevtina Smekhova, física de HZB y primera autora del artículo. "Al sondear el comportamiento de los componentes individuales a escala atómica, obtendríamos valiosas pistas para el desarrollo posterior de nuevos sistemas complejos con la multifuncionalidad deseada", afirma.

Entrevista: Tres sencillas preguntas a la Dra. Alevtina Smekhova, primera autora del estudio

¿Qué son las aleaciones de alta entropía? La idea principal de toda la clase de materiales de "alta entropía" es mezclar cinco o más elementos y ver cómo cambian las propiedades macroscópicas. Cuando hay tantos elementos en un material, no es posible decir que hay una "matriz" y que hay un "material diluido", por lo que todos los elementos son de alguna manera "iguales" para la solución sólida, pero siguen comportándose de forma diferente debido a sus propiedades individuales como el tamaño, la carga, el número de electrones, la electronegatividad, etc.

¿Por qué son tan interesantes estos HEA? Se ha descubierto que muchas propiedades macroscópicas como la dureza mecánica, la resistencia a la irradiación, la actividad catalítica y muchas otras mejoran significativamente en comparación con las aleaciones convencionales. Y parece que todas estas propiedades están relacionadas con el número de configuraciones locales, que es enorme -¡miles de millones!!!- debido al número de elementos.

¿Existe ya una idea de cómo utilizarlos? Sí, claro. Estas aleaciones son resistentes al calor y a la radiación, y podrían utilizarse como diferentes revestimientos para condiciones extremas, por ejemplo en reactores, o en la aviación. Recientes experimentos químicos han demostrado que los HEA son buenos para aplicaciones de energías renovables y para la catálisis, por ejemplo para la división del agua. En estos momentos, mucha gente está buscando nuevas propiedades y aplicaciones, y el factor clave para avanzar en este campo es la comprensión de cómo se comportan los componentes individuales de la aleación a escala atómica. Y con los rayos X de un sincrotrón es posible encontrar respuestas a casi todas estas preguntas.