Investigadores de la Universidad de Cornell han logrado avances significativos en la comprensión de las transformaciones de fase en materiales, un fenómeno crucial en diversas aplicaciones industriales, desde la fabricación de acero hasta la creación de aleaciones con memoria de forma. A través de técnicas de modelado avanzadas, han podido visualizar estos cambios a nivel atómico de manera sin precedentes, revelando detalles que antes resultaban elusivos para la ciencia de los materiales.
El estudio, liderado por Julia Dshemuchadse, profesora asistente de ciencia e ingeniería de materiales, y Hillary Pan, doctora en la misma disciplina, se centra en las transiciones de fase sólido-sólido, específicamente entre las estructuras cristalinas más comunes: cúbica centrada en las caras y cúbica centrada en el cuerpo. Estos patrones cristalinos son fundamentales en una amplia gama de materiales, desde plásticos hasta metales duros como el hierro y el acero, donde tales transformaciones desempeñan un papel clave en los procesos industriales.
Innovaciones en simulaciones computacionales
Utilizando simulaciones por ordenador personalizadas, los investigadores han podido observar el movimiento de cada partícula en un material teórico mientras su estructura cristalina se transforma. Este enfoque les ha permitido identificar no solo los mecanismos de transformación clásicos, sino también nuevos métodos que redefinen la comprensión de estos procesos en la ciencia de materiales.
Los científicos comenzaron con simulaciones de aproximadamente 4,000 partículas, ampliando posteriormente a más de 100,000. Esta escala permitió caracterizar múltiples caminos de transformación y explorar tres relaciones de orientación bien conocidas en sistemas atómicos: Bain, Kurdjumov–Sachs y Nishiyama–Wassermann. Los resultados revelaron que la microestructura del material y la temperatura influyen en el camino de transformación, además de descubrir una fase intermedia estable en la transición de cúbica centrada en el cuerpo a cúbica centrada en las caras.
Uno de los hallazgos más sorprendentes fue la identificación de un nuevo mecanismo de transformación. En este proceso, las partículas se desplazan de manera coordinada en un movimiento de cizallamiento multiteórico, algo que no se había predicho ni observado antes. Según Dshemuchadse, esto sugiere que los caminos tomados durante la transformación no están determinados simplemente por las configuraciones iniciales y finales del material, lo que ha dificultado la clasificación de estos fenómenos en la investigación previa.
Las implicaciones de este estudio son vastas. La capacidad de simular estos procesos con precisión puede ayudar a los experimentadores a interpretar datos de sistemas materiales al proporcionar plantillas simuladas para transformaciones que permanecen invisibles en tiempo real. A medida que se desarrollan estos modelos, es posible que se puedan diseñar experimentos en laboratorio para ajustar las interacciones de las partículas y replicar los diferentes caminos de transformación observados en las simulaciones.
Este avance en la comprensión de las transformaciones de fase no solo tiene el potencial de revolucionar la ciencia de materiales, sino que también puede beneficiar a diversas industrias que dependen de la manipulación precisa de las propiedades de los materiales. A medida que la tecnología avanza, la investigación en este ámbito se convierte en una herramienta vital para el desarrollo de materiales más eficientes y sostenibles.
Más información: Hillary Pan et al, Kinetic pathways of solid–solid phase transitions dictated by short-range interactions, Proceedings of the National Academy of Sciences (2025). DOI: 10.1073/pnas.2507403122
