Un vidrio es un sólido amorfo (sus moléculas no están ordenadas). Se publica en Nature un método experimental para transformar un metal puro de sólido cristalino a vidrio. La mayoría de los líquidos cristalizan cuando se enfrían lentamente, pero cuando se enfrían muy rápido se transforman en vidrios. Hacer lo mismo con un metal puro requiere un precalentamiento ultrarrápido y un dispositivo nanométrico.

Scott X. Mao (Univ. Pittsburgh, Pensilvania, EEUU) y sus colegas han calentado una barra de metal de 100 nm (nanómetros) de longitud durante 4 nanosegundos. La barra se enfría a una velocidad enorme, 100 billones de Kelvin por segundo en su centro. A tal velocidad de enfriamiento los 40 nm centrales de la barra de metal puro se transforman en un vidrio. Los resultados son conformes con la simulación numérica del proceso mediante la técnica de dinámica molecular.

Las muestras nanométricas obtenidas con el nuevo método permitirán estudiar en detalle la transición vítrea y al estado cristalino en metales líquidos puros (hasta ahora sólo se había logrado en aleaciones). Cuando las muestras sean de mayor tamaño, estos vidrios metálicos puros tendrán muchas aplicaciones comerciales potenciales gracias a sus buenas propiedades mecánicas (alta resistencia, elasticidad y capacidad de procesamiento).

>Nos lo cuenta Jan Schroers, «Condensed-matter physics: Glasses made from pure metals,» Nature, AOP 06 Aug 2014; el artículo técnico es Li Zhong et al., «Formation of monatomic metallic glasses through ultrafast liquid quenching,» Nature, AOP 06 August 2014.

Estudiar los detalles de la formación de un vidrio usando una aleación metálica es difícil. La cristalización requiere un cambio de composición entre el líquido y la fase cristalina creciente. Este proceso conlleva una difusión de largo alcance que involucra átomos de diferente tamaño y fuerzas interatómicas que varían mucho en la zona de transición. Todo ello oscurece los aspectos fundamentales y omnipresentes de la vitrificación. Además se complican mucho las predicciones teóricas mediante simulaciones por ordenador.

Usar un metal puro permite superar todas estas barreras. Gracias a ello Mao y sus colegas han podido confirmar las predicciones teóricas sobre la formación de vidrios en metales puros. En concreto han usado tantalio y vanadio líquidos, cuya estructura cristalina es cúbica centrada (bcc, por body-centered cubic). En futuros estudios se espera extender sus resultados a metales líquidos con estructura cristalina cúbica centrada en las caras (fcc, por face-centered cubic).

Las simulaciones mediante dinámica molecular son muy costosas, por lo que se han limitado a muestras de unos cien mil átomos (cuando las muestras nanométricas de los experimentos contienen unos cien millones de átomos) durante un tiempo bastante corto de sólo un nanosegundo (cuando los experimentos han durado del orden de un microsegundo). Sin embargo, los resultados obtenidos son consistentes con los experimentos. Futuras simulaciones permitirán mejorar el acuerdo logrado y futuros experimentos permitirán estudiar otro tipo de metales líquidos.

Estos estudios nos muestran detalles importantes del proceso de vitrificación. Hay que recordar que la cristalización se inicia con la formación de cristales diminutos llamados núcleos (proceso llamado nucleación) que posteriormente crecen. El proceso está concentrado en la interfaz que pone en contacto la fase líquida y la cristalina en crecimiento. Para la vitrificación se aprovecha la diferencia de escalas de tiempo entre la nucleación y el crecimiento. Si el enfriamiento es suficientemente rápido, los núcleos no pueden crecer de forma ordenada y se obtiene un sólido amorfo que da lugar al vidrio. Para ello la clave es que la nucleación no ocurra en la interfaz que pone en contacto la fase líquida y la vítrea, sino un poco más allá.

En resumen, un estudio muy interesante que promete futuros estudios que clarificarán un proceso tan curioso y de tal interés industrial como la vitrificación de metales puros, algo que hasta hace poco parecía ciencia ficción.