metal líquido

Liquidmetal y Vitreloy son nombres comerciales de una serie de aleaciones metálicas amorfas desarrolladas por un equipo de investigación del Instituto Tecnológico de California (Caltech) y comercializadas por Liquidmetal Technologies . Las aleaciones Liquidmetal combinan varias características deseables de los materiales, incluyendo alta resistencia a la tracción , excelente resistencia a la corrosión , coeficiente de restitución muy alto y excelentes características antidesgaste, además de poder ser conformadas térmicamente en procesos similares a los de los termoplásticos . A pesar de su nombre, no son líquidas a temperatura ambiente. ^{[ 1 ]}

El metal líquido se introdujo para aplicaciones comerciales en 2003. ^{[ 2 ]} Se utiliza, entre otras cosas, para palos de golf , relojes y cubiertas de teléfonos celulares .

La aleación fue el resultado de un programa de investigación sobre metales amorfos llevado a cabo en Caltech. Fue la primera de una serie de aleaciones experimentales que podían lograr una estructura amorfa a velocidades de enfriamiento relativamente lentas. Si bien ya se habían fabricado metales amorfos, solo se producían en lotes pequeños, ya que las velocidades de enfriamiento debían ser de millones de grados por segundo. Por ejemplo, se podían fabricar alambres amorfos mediante el enfriamiento rápido de un chorro de metal fundido sobre un disco giratorio. Gracias a que Vitreloy permitía velocidades de enfriamiento tan lentas, fue posible la producción de lotes de mayor tamaño. Más recientemente, se han añadido varias aleaciones adicionales al catálogo de Liquidmetal. Estas aleaciones también conservan su estructura amorfa tras repetidos ciclos de recalentamiento, lo que permite su uso en una amplia variedad de procesos de mecanizado tradicionales.

El metal líquido, creado por el Dr. Atakan Peker, contiene átomos de tamaños significativamente diferentes. Estos forman una mezcla densa con un volumen libre reducido. A diferencia de los metales cristalinos, no existe un punto de fusión definido en el que la viscosidad disminuya bruscamente. Vitreloy se comporta de forma similar a otros vidrios , ya que su viscosidad disminuye gradualmente con el aumento de la temperatura. A altas temperaturas, presenta un comportamiento plástico, lo que permite controlar con relativa facilidad sus propiedades mecánicas durante el proceso de moldeo. La viscosidad impide que los átomos se muevan lo suficiente como para formar una red ordenada, por lo que el material conserva sus propiedades amorfas incluso después de ser moldeado térmicamente.

Las aleaciones tienen temperaturas de reblandecimiento relativamente bajas, lo que permite la fundición de formas complejas sin necesidad de acabado. Las propiedades del material inmediatamente después de la fundición son mucho mejores que las de los metales convencionales; por lo general, los metales fundidos tienen peores propiedades que los forjados o labrados. Las aleaciones también son maleables a bajas temperaturas ( 400 °C o 752 °F para la formulación más antigua) y se pueden moldear . El bajo volumen libre también resulta en una baja contracción durante el enfriamiento. Por todas estas razones, Liquidmetal se puede conformar en formas complejas utilizando procesos similares a los de los termoplásticos, ^{[ 3 ]} lo que convierte a Liquidmetal en un posible sustituto para muchas aplicaciones donde normalmente se usarían plásticos.  

Debido a sus estructuras no cristalinas ( amorfas ), los Liquidmetals son más duros que las aleaciones de titanio o aluminio de composición similar. Las aleaciones Liquidmetal a base de circonio y titanio alcanzaron un límite elástico de más de 1723 MPa (249 900 psi) , casi el doble de la resistencia de las aleaciones de titanio cristalinas convencionales ( Ti-6Al-4V es de aproximadamente 830 MPa (120 000 psi) ), y similar a la resistencia de los aceros de alta resistencia y algunos materiales compuestos a granel de alta ingeniería (véase la resistencia a la tracción para una lista de materiales comunes). Sin embargo, los primeros métodos de fundición introdujeron defectos microscópicos que fueron excelentes puntos de propagación de grietas, lo que provocó que Vitreloy fuera frágil como el vidrio. Aunque resistentes, estos primeros lotes se rompían fácilmente al ser golpeados. Los métodos de fundición más recientes, los ajustes en las mezclas de aleación y otros cambios han mejorado este aspecto.    

La ausencia de límites de grano en un vidrio metálico elimina la corrosión intergranular, un problema común en aleaciones de alta resistencia producidas por endurecimiento por precipitación y aceros inoxidables sensibilizados. Por lo tanto, las aleaciones Liquidmetal son generalmente más resistentes a la corrosión, tanto por su estructura mecánica como por los elementos que las componen. La combinación de dureza mecánica, alta elasticidad y resistencia a la corrosión hace que Liquidmetal sea resistente al desgaste.

Si bien a altas temperaturas la deformación plástica se produce fácilmente, a temperatura ambiente prácticamente no se produce antes de que se produzca una falla catastrófica . Esto limita la aplicabilidad del material en aplicaciones críticas para la fiabilidad, ya que la falla inminente no es evidente. El material también es susceptible a la fatiga del metal con propagación de grietas. Una estructura compuesta de dos fases con matriz amorfa y un refuerzo de fase cristalina dendrítica dúctil, o un compuesto de matriz metálica reforzado con fibras de otro material, puede reducir o eliminar esta desventaja. ^{[ 4 ]}

El metal líquido combina una serie de características que normalmente no se encuentran en ningún otro material. Esto lo hace útil en una amplia variedad de aplicaciones.

Uno de los primeros usos comerciales de Liquidmetal fue en palos de golf fabricados por la compañía, donde el metal altamente elástico se utilizó en partes de la cara del palo. ^{[ 5 ]} Estos fueron muy bien valorados por los usuarios, pero el producto fue posteriormente retirado, en parte porque los prototipos se rompían después de menos de 40 golpes. ^{[ 6 ]} Desde entonces, Liquidmetal ha aparecido en otros equipos deportivos, incluyendo los núcleos de pelotas de golf , esquís , bates de béisbol y sóftbol , ​​y raquetas de tenis . ^{[ 7 ]}

La capacidad de ser fundido y moldeado, combinado con una alta resistencia al desgaste , también ha llevado a que Liquidmetal se utilice como sustituto de los plásticos en algunas aplicaciones. ^{[ 8 ]} Se ha utilizado en la carcasa de las unidades flash USB SanDisk "Cruzer Titanium" de último modelo , así como en su línea Sansa de reproductores MP3 basados ​​en memoria flash , y en las carcasas de algunos teléfonos móviles , como los productos de lujo Vertu , y otros dispositivos electrónicos de consumo reforzados. Liquidmetal se utilizó en el láser dental Biolase Ilase ^{[ 9 ]} y en el escáner de código de barras de anillo Socketmobile. Liquidmetal también se ha utilizado notablemente para fabricar la herramienta de expulsión de SIM de algunos iPhone 3G fabricados por Apple Inc. , enviados en EE. UU. Esto fue hecho por Apple como un ejercicio para probar la viabilidad del uso del metal. ^{[ 10 ]} Mantienen una superficie sin arañazos durante más tiempo que los materiales de la competencia, a la vez que se fabrican en formas complejas. Las mismas cualidades permiten su uso como recubrimientos protectores para maquinaria industrial, incluidas tuberías de perforación petrolífera y tubos de calderas de centrales eléctricas .

También reemplaza al titanio en aplicaciones que van desde instrumentos médicos y automóviles hasta la industria militar y aeroespacial. En aplicaciones militares, los metales amorfos podrían reemplazar al uranio empobrecido en penetradores de energía cinética . ^{[ 11 ]} Se utilizaron placas de Liquidmetal en el conjunto de colectores de iones del viento solar en la sonda espacial Genesis .

Bajo esta marca comercial se ha comercializado una gama de aleaciones a base de circonio . A continuación se muestran algunos ejemplos de composiciones, en porcentaje molar:

• Una aleación temprana, Vitreloy 1 : ^{[ 12 ]}

  Zirconio : 41,2, berilio : 22,5, titanio : 13,8, cobre : ​​12,5, níquel : 10

• Una variante, Vitreloy 4 ( Vit4 ):

  Zirconio : 46,75, berilio : 27,5, titanio : 8,25, cobre : ​​7,5, níquel : 10

• Vitreloy 105 ( Vit105 ): ^{[ 13 ]}

  Zirconio : 52,5, titanio : 5, cobre : ​​17,9, níquel : 14,6, aluminio : 10

• Un desarrollo más reciente ( Vitreloy 106a ), que forma vidrio con un enfriamiento menos rápido:

  Zirconio : 58,5, cobre : ​​15,6, níquel : 12,8, aluminio : 10,3, niobio : 2,8

• Apple Inc. adquirió una licencia perpetua y exclusiva para utilizar las tecnologías desarrolladas después de 2010 en electrónica de consumo. ^{[ 14 ]}
• El Grupo Swatch obtuvo una licencia exclusiva para utilizar aleaciones de Liquidmetal desarrolladas después de 2010 en sus relojes. ^{[ 15 ]}

• Sitio web oficial
• Panorama general de los metales amorfos
• Investigación derivada de la NASA 2004: Una aleación amorfa supera al acero y al titanio.
• Otro artículo de la NASA sobre LiquidMetal archivado el 5 de abril de 2023 en Wayback Machine .
• Artículo de Caltech en Wayback Machine (archivado el 10 de diciembre de 2007)
• Demostración en vídeo en directo que muestra las propiedades elásticas del metal líquido.