Entropía y desarrollo de los nuevos materiales del futuro

La entropía es el grado de desorden y de caos que existe en el universo. El segundo principio de la termodinámica nos dice que el universo que nos rodea se hace más desordenado, se deteriora y se dirige hacia el caos total.

Los antiguos griegos ya utilizaban la palabra entropía para designar una evolución o transformación. Actualmente, esta bonita palabra se emplea como una medida física del desorden de un sistema. Con relación a la ciencia de los materiales, se puede decir que un material sólido, tiene una entropía mucho menor que el mismo material en estado líquido o gaseoso, con sus átomos en constante movimiento y en pleno desorden. ¿Pero qué tiene que ver todo esto con el desarrollo de los nuevos materiales del futuro?

Para comprenderlo mejor nos tenemos que remontar al final del período neolítico, donde se empezaron a utilizar los primeros metales puros en Oriente próximo. Con el paso de los años, se empezaron a fundir estos metales puros y se les fueron añadiendo muy pequeñas cantidades de otros elementos (aumentando la entropía, que seguía siendo muy baja), creando las primeras aleaciones.

Históricamente, las aleaciones han consistido en mezclas entre un elemento principal y uno o más elementos añadidos en pequeñas concentraciones para mejorar las propiedades del elemento principal. Por ejemplo, el acero se basa en el elemento principal hierro (disolvente) con la adición de uno o más elementos de menor importancia tales como el carbono (soluto). A pesar de que la posibilidad de añadir más elementos principales en la mezcla siempre ha existido, ha habido también un temor: que esto llevaría a aleaciones constituidas por varias fases que dificultarían mucho controlar la metalurgia de las aleaciones.

En las aleaciones convencionales, los átomos del elemento principal conservan su estructura cristalina y van acomodando los elementos mezclados en su microestructura, hasta llegar al límite de solubilidad que provoca la aparición de nuevas fases minoritarias con propiedades y composiciones diferentes de la fase principal. En la mayoría de los casos, este efecto aumenta la resistencia y la dureza, pero perjudica mucho la ductilidad.

Lo que se desconocía hasta la fecha es el efecto de alear varios elementos en cantidades suficientes como para que el “caos” sea suficiente para impedir la formación de una fase principal basada en el elemento principal. Cabe destacar, que las aleaciones diseñadas con el método tradicional mejoran las propiedades del elemento puro gracias a la adición de nuevos componentes, pero siguen manteniendo unas propiedades intrínsecas al material puro.

Con la llegada del siglo XX, y las nuevas exigencias de la humanidad de construir más alto, volar más rápido, crear nuevos dispositivos que satisfagan nuestras necesidades sociales, viajar al espacio, etc. se perdió de una vez por todas ese miedo a la investigación de nuevos materiales metálicos que no estén basados únicamente en un elemento principal.

Así, en el año 2004 aparece la primera publicación sobre Aleaciones de Alta Entropía, en inglés High Entropy Alloys. Los materiales descritos en esta publicación revolucionaron el campo de la metalurgia física, ya que, en contra de todo pronóstico, se estabilizaron soluciones sólidas desordenadas, en vez de frágiles compuestos intermetálicos. Estas nuevas microestructuras presentaron una combinación de propiedades mecánicas y físicas que ninguna otra aleación había sido capaz de presentar hasta la fecha.

Esto abrió un nuevo campo en la ingeniería de materiales, ya que el número de Aleaciones de Alta Entropía por investigar puede decirse que es casi infinito, pues se han estimado alrededor de 10⁷⁸ posibles aleaciones.

De esta manera, la comunidad científica se lanzó al descubrimiento de nuevos materiales basados en el diseño de alta entropía. La producción científica en este campo aumentó exponencialmente, y se señalaron cuatro efectos como los principales “culpables” del nuevo descubrimiento:

• Alta entropía de mezcla: en contra de lo que se podía esperar, alear una mayor cantidad de componentes provoca un aumento del desorden atómico de la estructura cuando se encuentran cerca del punto de fusión y, en consecuencia, menos fases de las esperadas debido al aumento de la solubilidad de los componentes y a la disminución de la formación de compuestos intermetálicos, que son estructuras generalmente frágiles.
• Difusión lenta: en una red cristalina integrada por varios elementos diferentes, los átomos encontrarán una energía potencial muy diferente al difundirse. Podría muy bien darse entonces el caso en el que la energía potencial en esa nueva posición sea mucho más alta y que el átomo volviera a su lugar original. Esta difusión lenta justifica que tengan excelentes propiedades a alta temperatura.
• Distorsión de la red cristalina: la amplia distorsión de la red cristalina proviene de los distintos tamaños del radio atómico de los componentes. Dentro de las propiedades que se obtienen de una estructura con una amplia distorsión de red cabe mencionar el aumento de la dureza y resistencia, la reducción de las conductividades térmicas y eléctricas y una menor dependencia de estos parámetros de la temperatura.
• Efecto cóctel: este efecto fue descrito por primera vez como “una mezcla sinérgica donde el resultado final es impredecible y los resultados obtenidos son mejores que los resultados obtenidos por separado”.

Teniendo en cuenta todo esto, TECNALIA lleva desde el 2016 trabajando junto a otros actores de la RVCTI en el desarrollo de nuevas Aleaciones de Alta Entropía con potencial aplicación industrial. El objetivo perseguido es el de crear nuevas aleaciones con propiedades mecánicas mejoradas, con una densidad inferior a las aleaciones actuales. Así, se espera poder contribuir al reto enfrentado por nuestra sociedad de reducción de las emisiones de gases y el consumo de combustible del sector del transporte.

Siguiendo esta línea de investigación TECNALIA ha sido pionera a nivel mundial en la investigación de nuevas aleaciones de aluminio basadas en el efecto de alta entropía. Las excelentes propiedades mecánicas y nuevas microestructuras de las aleaciones desarrolladas han sido recogidas en varias publicaciones científicas de primer nivel.

Por tanto, ¿será la entropía la clave para desarrollar los nuevos materiales del futuro?