Guía completa de metales amorfos

1. Introducción a los metales amorfos

Los metales amorfos, también conocidos como vidrios metálicos, son una clase única de materiales caracterizados por su estructura atómica desordenada. A diferencia de los metales cristalinos, que tienen una disposición atómica regular y repetitiva, los metales amorfos carecen de este orden, lo que les confiere propiedades distintas. Esta falta de cristalinidad les confiere una combinación de gran resistencia, elasticidad y resistencia a la corrosión, lo que hace que estos materiales sean muy deseables para diversas aplicaciones avanzadas.

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2. Métodos de producción

Los metales amorfos suelen producirse mediante procesos de enfriamiento rápido, que impiden que los átomos se organicen en una estructura cristalina. Los métodos más comunes son

• Giro de la masa fundida: El metal fundido se enfría rápidamente en una rueda giratoria, formando finas cintas. Este método se utiliza mucho en la producción de cintas de metal amorfo para transformadores y otras aplicaciones magnéticas.
• Enfriamiento por salpicadura: una gota de metal fundido se enfría rápidamente entre dos superficies frías, formando discos finos y planos de metal amorfo. Este método se utiliza en laboratorios para el análisis rápido de materiales y la producción a pequeña escala.

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• PVD (deposición física de vapor): Los átomos de metal se depositan sobre un sustrato en un entorno de vacío, lo que permite la formación controlada de películas amorfas. Esta técnica se utiliza habitualmente en la industria electrónica para crear películas finas con propiedades magnéticas u ópticas específicas.

3. Propiedades y aplicaciones

Los metales amorfos presentan propiedades únicas, como una gran resistencia, elasticidad y resistencia a la corrosión:

• Alta resistencia: Los metales amorfos suelen tener mayor resistencia a la tracción que sus homólogos cristalinos debido a la ausencia de límites de grano. Por ejemplo, las aleaciones de vidrio metálico como Vitreloy 1 presentan una resistencia a la tracción de hasta 1,9 GPa, significativamente superior a la del acero tradicional.
• Elasticidad: Estos metales pueden presentar una importante deformación elástica, lo que les confiere una gran resistencia. Los metales amorfos pueden sufrir una deformación elástica de hasta el 2%, en comparación con los metales cristalinos, que suelen mostrar una deformación elástica de alrededor del 0,2%.
• Resistencia a la corrosión: La ausencia de límites de grano y la estructura homogénea dan lugar a una excelente resistencia a la corrosión. Por ejemplo, los vidrios metálicos basados en Zr han demostrado una resistencia superior a la corrosión en ambientes salinos, lo que los hace ideales para aplicaciones marinas.
• Propiedades magnéticas: Algunos metales amorfos presentan propiedades magnéticas blandas, lo que los hace útiles en núcleos de transformadores y blindajes magnéticos. Por ejemplo, las aleaciones a base de hierro amorfo tienen menor coercitividad y pérdida de núcleo que el hierro cristalino, lo que mejora la eficiencia energética de los transformadores.
• Resistencia eléctrica: La alta resistencia eléctrica es otra característica notable, que puede ser beneficiosa en aplicaciones específicas como resistencias y sensores magnéticos.

Los metales amorfos encuentran aplicaciones en diversas industrias gracias a sus propiedades únicas:

• Electrónica: Se utilizan en núcleos de transformadores e inductores, sobre todo en aplicaciones de alta frecuencia en las que es fundamental una baja pérdida de energía. Por ejemplo, los núcleos de metal amorfo pueden reducir las pérdidas de energía hasta un 70% en comparación con los núcleos tradicionales de acero al silicio.
• Dispositivos biomédicos: Su biocompatibilidad y resistencia a la corrosión los hacen idóneos para implantes médicos y herramientas quirúrgicas. Los vidrios metálicos con base de Zr se utilizan especialmente en stents e implantes ortopédicos.
• Artículos deportivos: Se utilizan en equipos deportivos de alto rendimiento, como palos de golf y raquetas de tenis, por su resistencia y elasticidad. La elasticidad del vidrio metálico ayuda a una mejor transferencia de energía, mejorando el rendimiento del equipo.
• Defensa y aeroespacial: Se emplea en blindajes ligeros y componentes estructurales que requieren una elevada relación resistencia-peso. Los revestimientos de metal amorfo también se utilizan para proteger los componentes aeroespaciales del desgaste y la corrosión.
• Electrónica de consumo: Se utilizan en carcasas y componentes estructurales por su durabilidad y resistencia a los arañazos. El Apple Watch, por ejemplo, utiliza una aleación metálica de vidrio para su carcasa debido a su resistencia y acabado liso.

4. Retos y desarrollos

Sin embargo, los metales amorfos se enfrentan a varios retos que han limitado su adopción y aplicaciones generalizadas. Entre los principales obstáculos están los costes de producción, las limitaciones de tamaño y la fragilidad, cada uno de los cuales plantea importantes trabas en diferentes contextos.

El principal es el elevado coste de producción. El proceso de enfriamiento rápido del metal fundido para evitar su cristalización requiere equipos especializados y un control preciso, lo que hace que el proceso de fabricación sea complejo y caro. Esta necesidad de enfriamiento rápido suele requerir el uso de maquinaria avanzada de alto coste, lo que limita la capacidad de producir metales amorfos a escala. En consecuencia, su uso se ha restringido en gran medida a aplicaciones de alto valor en las que los beneficios compensan los gastos de producción.

Otra limitación importante es la dificultad de producir componentes metálicos amorfos a gran escala. El enfriamiento rápido, esencial para mantener la estructura amorfa, resulta cada vez más difícil a medida que aumenta el tamaño del componente. Por ello, la mayoría de los metales amorfos sólo están disponibles en pequeñas formas, como cintas, alambres o láminas finas. Esta limitación ha restringido su aplicación a artículos más pequeños y nichos de mercado.

Además, la fragilidad sigue siendo un problema crítico, sobre todo en aplicaciones estructurales en las que se espera que los materiales soporten tensiones y deformaciones importantes. Aunque los metales amorfos son famosos por su resistencia, la ausencia de una estructura cristalina puede provocar fragilidad, haciéndolos propensos a fracturarse en determinadas condiciones. Esta fragilidad es especialmente problemática en aplicaciones que requieren materiales capaces de absorber impactos o sufrir deformaciones sin romperse.

En respuesta a estos retos, se han realizado importantes avances en el campo de los metales amorfos:

• Los vidrios metálicos a granel (BMG): Desarrollo de componentes metálicos amorfos de mayor tamaño para uso industrial. Por ejemplo, se han desarrollado BMG con una ductilidad mejorada, lo que los hace más adecuados para aplicaciones estructurales en las industrias automovilística y aeroespacial.

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• Aleaciones avanzadas: Creación de nuevas composiciones que mejoren las propiedades de los metales amorfos, como una mayor ductilidad o una mayor resistencia a la corrosión. Los vidrios metálicos a base de Pd y Cu destacan por sus propiedades mecánicas mejoradas.
• Fabricación aditiva: Exploración del uso de técnicas de impresión 3D para producir estructuras metálicas amorfas complejas. Este enfoque podría revolucionar la producción de componentes personalizados con propiedades superiores, como implantes dentales y piezas aeroespaciales complejas.

5. Metales amorfos frente a vidrios metálicos

Los términos "metales amorfos" y "vidrios metálicos" suelen utilizarse indistintamente. Se refieren a la misma clase de materiales. Sin embargo, existen sutiles diferencias en el uso de estos términos que es importante comprender.

--Metales amorfos

Los metales amorfos son metales con una estructura atómica desordenada, sin el patrón regular y repetitivo de los metales cristalinos. Esta estructura desordenada se consigue enfriando rápidamente el metal fundido, lo que impide que los átomos se organicen en una red cristalina.

El término "metal amorfo" hace hincapié en el desorden atómico del metal y se utiliza a menudo cuando se habla de la categoría más amplia, incluyendo varios métodos de fabricación y aplicaciones.

--Vidrios metálicos

Los vidrios metálicos son un subconjunto de metales amorfos que presentan una estructura similar al vidrio. Este término destaca el estado "vítreo" no cristalino del material, que es similar al de los vidrios convencionales como el vidrio de sílice, pero fabricados a partir de aleaciones metálicas.

El término "vidrio metálico" se utiliza con frecuencia en contextos científicos y académicos, sobre todo cuando se habla de las propiedades físicas y mecánicas relacionadas con el estado vítreo, como la fragilidad y el comportamiento elástico.

En resumen, aunque "metales amorfos" y "vidrios metálicos" se refieren al mismo tipo general de material, el primer término es más amplio y se utiliza más comúnmente en contextos industriales, mientras que el segundo es más específico y se utiliza a menudo en la investigación científica para describir las características vítreas de estos materiales. Entender estas distinciones puede ayudar a comunicar con precisión las propiedades del material y sus aplicaciones potenciales.

6. Conclusión

Los metales amorfos, con su singular estructura atómica desordenada, representan un avance significativo en la ciencia de los materiales. Su combinación de alta resistencia, elasticidad y resistencia a la corrosión los diferencia de los metales cristalinos tradicionales, lo que los hace indispensables en la electrónica, los dispositivos biomédicos, la defensa y la industria aeroespacial.

A pesar de los retos que plantean los elevados costes de producción, las limitaciones de tamaño y la fragilidad, la investigación y la innovación en curso siguen ampliando los límites de lo que es posible con estos extraordinarios materiales. A medida que las industrias buscan materiales que puedan satisfacer las demandas de la tecnología y la innovación modernas, los metales amorfos están preparados para dar forma al futuro de las aplicaciones de alto rendimiento. Para más información, consulte Stanford Advanced Materials (SAM).

Referencias:

[1] UCLA News (2021, 31 de marzo). Problema centenario resuelto con la primera imagen atómica en 3D de un sólido amorfo. Obtenido el 20 de agosto de 2024, de https://newsroom.ucla.edu/releases/first-ever-3d-atomic-imaging-amorphous-solid

[2] Y.C. Xin, P.K. Chu, 11 - Plasma immersion ion implantation (PIII) of light alloys, Editor(es): Hanshan Dong, In Woodhead Publishing Series in Metals and Surface Engineering, Surface Engineering of Light Alloys, Woodhead Publishing, 2010, Páginas 362-397, https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B9781845695378500117

[3] Universidad de Viena (2024, 20 de agosto). Structural inhomogeneities in bulk metallic glasses. Obtenido el 20 de agosto de 2024, de https://sounds-of-matter.univie.ac.at/research-projects/metallic-glass/