Investigadores del Instituto IMDEA Materiales han desarrollado una nueva metodología híbrida que combina cálculos cuánticos y termodinámicos para predecir el diagrama de fases de aleaciones de níquel-cobalto.

Publicado en Acta Materialia, este avance supera las limitaciones de los métodos tradicionales, especialmente a bajas temperaturas, sin necesidad de utilizar datos experimentales.

Las aleaciones de níquel-cobalto (Ni-Co) son fundamentales en sectores de alta tecnología, como la generación de energía o la industria aeroespacial, gracias a su excepcional resistencia a altas temperaturas y a la corrosión.

Además, son componentes esenciales de las nuevas Aleaciones de Alta Entropía (HEAs, por sus siglas en inglés), materiales prometedores por sus mejores propiedades mecánicas.

Sin embargo, el diseño de nuevas y mejores aleaciones se ha visto limitado por la falta de un conocimiento preciso de su diagrama de fases, es decir, el mapa que determina la estabilidad de las diferentes fases en función de su composición y temperatura.

“Los diagramas de fases existentes se basan en datos experimentales difíciles de obtener y, a menudo, imprecisos, sobre todo a bajas temperaturas, donde las transformaciones de los materiales son extremadamente lentas”, explicó la Dra. Chenying Shi, autora principal de la publicación.

“Este nuevo método supera estas barreras al no requerir ningún dato experimental”, añadió la investigadora postdoctoral Marie Skłodowska-Curie Actions.

En lugar de recurrir a datos experimentales, los investigadores utilizaron simulaciones computacionales basadas en primeros principios y mecánica estadística para calcular la energía de distintas configuraciones atómicas, incluyendo los efectos de las vibraciones de los átomos y sus propiedades magnéticas.

Los resultados ofrecen una visión más precisa del comportamiento de las aleaciones Ni-Co. El nuevo diagrama de fases muestra diferencias significativas respecto a los modelos aceptados hasta ahora, corrigiendo las fronteras entre las diferentes estructuras cristalinas (fcc y hcp).

El estudio también revela que la contribución de las vibraciones de la red atómica, conocidas como entropía vibracional, desempeña un papel crucial en la estabilidad de estas fases, mientras que el magnetismo tiene un impacto limitado en las transiciones a temperaturas más bajas.

“Este método nos permite observar con un nivel de detalle sin precedentes cómo se organizan los átomos en estas aleaciones y por que”, señaló la Dra. Shi.

“Esta precisión es fundamental para diseñar la próxima generación de materiales de alto rendimiento de manera más rápida y eficiente”.

El equipo de investigación también contó con la colaboración del Prof. Javier Llorca, director científico de IMDEA Materiales y catedrático de la UPM, y de la Dra. Wei Shao, exinvestigadora del instituto.

Los investigadores anticipan que esta metodología podrá aplicarse a sistemas más complejos, como las aleaciones de alta entropía basadas en Ni-Co-Cr, acelerando el desarrollo de una nueva generación de superaleaciones para aplicaciones en condiciones extremas.

Esta investigación se llevó a cabo en el marco del proyecto Horizon MSCA PD-MPEA, financiado por la Unión Europea (GA: 101148301). Los puntos de vista y opiniones expresados son únicamente los de los autores y no reflejan necesariamente los de la Unión Europea. Ni la Unión Europea ni la autoridad otorgante pueden ser considerados responsables de ellos.