El hallazgo afecta a una familia de metales conocidos como cúbicos centrados en el cuerpo, la misma estructura atómica del hierro, el wolframio o el cromo. Por debajo de una temperatura determinada, llamada de transición dúctil-frágil, estos materiales dejan de deformarse ante una grieta y se parten, un comportamiento que los autores describen como un problema arrastrado «desde los aceros a temperatura ambiente o ligeramente por debajo hasta las aleaciones refractarias de hasta 1.200 °C».
El primer firmante del estudio es el Dr. David Cook, que realizó el trabajo en la Universidad de California en Berkeley y actualmente está en la Universidad de Cambridge. La autora de correspondencia es Dong Liu, profesora del Departamento de Ciencias de la Ingeniería de Oxford. Participan también el Lawrence Berkeley National Laboratory, la Universidad de Bristol, la fuente de neutrones ISIS, el Pacific Northwest National Laboratory, la Universidad de California en Irvine, Texas A&M y la Universidad Tecnológica de Nanyang, en Singapur.
Cuando un metal de este tipo se vuelve frágil, una fisura pequeña puede propagarse con rapidez. Los autores citan como antecedente la viga casi partida de un puente sobre el río Misisipi en 1973, aunque allí el fallo se atribuyó al hidrógeno introducido durante una soldadura y no a la temperatura. El riesgo de fragilidad en frío sigue siendo, según el artículo, una limitación para infraestructuras y tecnologías energéticas.
«Durante décadas, la transición dúctil-frágil se ha considerado una limitación fundamental de los metales cúbicos centrados en el cuerpo. Lo que nos sorprendió es que estas aleaciones siguen siendo notablemente tolerantes al daño incluso a 20 kelvin», señaló Dong Liu, profesora del Departamento de Ciencias de la Ingeniería de la Universidad de Oxford.
El comportamiento de las dos aleaciones estudiadas, Nb45Ta25Ti15Hf15 y Nb70Ti30, se explica por un mecanismo distinto al habitual. En lugar de depender del movimiento de dislocaciones, los defectos lineales que normalmente permiten a estos metales deformarse, el equipo observó un maclado a escala nanométrica acompañado de un cambio local de estructura cristalina identificado como fase omega. Cuando esas estructuras alcanzan la frontera entre cristales vecinos, generan nuevos defectos que permiten que el material siga deformándose en lugar de agrietarse.
«Nuestros resultados indican que deberíamos cambiar nuestra forma de pensar sobre qué gobierna la transición a la fragilidad en estos metales. Tradicionalmente, la atención se centraba en la facilidad con la que las dislocaciones ya existentes se mueven por un metal, pero ahora parece que la capacidad de crear nuevas dislocaciones en las interfaces también puede ser crítica», afirmó David Cook, primer firmante del estudio.
Los ensayos se realizaron en el instrumento Engin-X de la fuente de neutrones y muones ISIS, en Oxfordshire. Las muestras se enfriaron a unos -253 °C con helio gaseoso y se sometieron a tracción mientras un haz de neutrones registraba su comportamiento interno. La Nb45Ta25Ti15Hf15 alcanzó a 20 K un límite elástico de unos 938,9 megapascales y una resistencia máxima de 1.149,5 megapascales, con una tenacidad de iniciación de grieta de 96,5 MPa√m. La Nb70Ti30, más sencilla, dio 170 MPa√m a 20 K frente a 188 a -196 °C y 219 a temperatura ambiente, una caída del 22% pese al descenso de casi 280 grados.
El equipo eligió deliberadamente la Nb70Ti30, que solo combina niobio y titanio, para comprobar si la complejidad química de la otra aleación era necesaria para lograr ese comportamiento. Según el artículo, no lo es: el fenómeno se atribuye sobre todo a la estructura electrónica de ambas aleaciones, con tensiones de maclado bajas y, en especial, barreras bajas para generar nuevas dislocaciones en las fronteras entre cristales.
La temperatura de los ensayos coincide con la del hidrógeno líquido, que la NASA emplea como combustible del cohete SLS y almacena en torno a los -252,8 °C. Mantenerlo en estado líquido es una operación delicada, como recordó la fuga que retrasó la misión Artemis II. Según la nota difundida por Oxford, el hallazgo podría ofrecer a los científicos una estrategia nueva para diseñar metales destinados a entornos extremadamente fríos, «incluidos los sectores de la energía, el transporte y el aeroespacial».
