Cómo la ciencia inventó una nueva y sorprendente tecnología más difícil

Nathan Hurst

¿Cómo se diseñan herramientas industriales que puedan superar a los dispositivos con punta de diamante más resistentes? Fácil: creas un nuevo material que es incluso más duro que el diamante.

Sí, es un "hecho" que a menudo se expresa erróneamente: el diamante es el material más duro del mundo. Ese título ha sido cuestionado desde hace algún tiempo, y un artículo publicado este mes en Nature ofrece otro candidato más.

El "nitruro de boro cúbico nanotwinned ultraduro" describe cómo investigadores de la Universidad de Chicago, la Universidad de Nuevo México, la Universidad de Yanshan, la Universidad de Jilin y la Universidad Tecnológica de Hebei comprimieron una forma de partículas de nitruro de boro en una versión ultradura.

Las pepitas transparentes resultantes rivalizaron, e incluso superaron, al diamante en dureza, según las pruebas realizadas por los investigadores. Con una puntuación Vickers de 108 GPa, supera al diamante sintético (100 GPa) y duplica con creces la dureza de las formas comerciales de nitruro de boro cúbico.

El secreto está en la nanoestructura. Yongjun Tian y los otros investigadores comenzaron con partículas de nitruro de boro parecidas a cebollas con la forma de una rosa escamosa o, como las describe Tian, ​​como muñecas Matryoshka. Cuando los comprimieron a 1.800 grados Celsius y 15 GPa (alrededor de 68.000 veces la presión de un neumático de automóvil), los cristales se reorganizaron y formaron una estructura nanomaculada.

En una estructura cristalina nanogemanada, los átomos vecinos comparten un límite, como lo hacen los apartamentos vecinos. Y como en algunos apartamentos, los gemelos se reflejan entre sí. Por lo general, para endurecer una sustancia, los científicos reducen el tamaño de los granos, lo que hace que sea más difícil perforarla: los granos pequeños equivalen a menos espacio entre ellos para que entre cualquier punto. Pero el proceso chocó contra un muro: en algo menor que unos 10 nm, los defectos o distorsiones inherentes son casi tan grandes como los propios granos y, por lo tanto, debilitan la estructura.

Pero el nanotwining también hace que las sustancias sean más difíciles de perforar y, en el caso del nitruro de boro, mantuvo esa fuerza característica en tamaños promedio de aproximadamente 4 nm, explica Tian. Y como beneficio adicional, el nitruro de boro cúbico también era estable a altas temperaturas.

"En nuestro cBN nanomaculado, la excelente estabilidad térmica y la inercia química se mantienen con una dureza competitiva o incluso superior a la del diamante, lo que lo convierte en el material de herramienta más deseable para la industria", afirma Tian.

Anticipa que, con más investigaciones, el producto será comparable en precio a las formas comerciales más suaves de nitruro de boro cúbico que están disponibles actualmente. Los usos probables incluyen herramientas de mecanizado, rectificado, taladrado y corte, así como instrumentación científica.

Por supuesto, el problema es que, para medir con precisión la dureza de un material, los científicos toman una sustancia aún más dura, le dan forma de pirámide y ven cuánta presión se requiere para introducir esa pirámide en el material. Eso no funciona a menos que tengas algo que estés seguro que es más difícil, por lo que el número de Vickers para el nitruro de boro cúbico de Tian no es necesariamente la última palabra sobre la medición, señala la cristalógrafa Natalia Dubrovinskaia en Scientific American.

Gregorio Barbero

adrien so

Matt Simón

Julian Chokkattu