¿Cuáles son los mayores problemas no resueltos en la ciencia de los materiales?

No sabemos todo, por supuesto. Hay muchos problemas sin resolver. Un ejemplo son ciertos mecanismos de fortalecimiento asociados con el endurecimiento de la precipitación para los cuales las teorías actuales no coinciden tan bien. En el gran esquema de cosas que probablemente sea menor, ya que ya tenemos una excelente comprensión de cómo las partículas fortalecen las aleaciones en general.

Sabemos que los átomos forman sólidos para minimizar la energía. También entendemos lo suficiente sobre la estructura electrónica asociada con los diferentes tipos de unión en esos sólidos para predecir ciertas propiedades mecánicas razonablemente bien [1] [2]. Además, se sabe que casi todos los metales se solidifican en una de las tres estructuras cristalinas básicas: cúbica centrada en la cara (FCC), cúbica centrada en el cuerpo (BCC) y empaquetado hexagonal cerrado (HCP). A partir de la estructura particular que asume un metal, podemos deducir, al menos cualitativamente, cuán dúctil podría ser. Y saber que los metales exhiben su mar de electrones libres permite la caracterización mecánica cuántica de propiedades como la conducción eléctrica y el comportamiento óptico. En resumen, existe una teoría cuántica de metales bien desarrollada que explica muchas de sus propiedades.

Sin embargo, lo que no sabemos es por qué los átomos metálicos se organizan en, digamos, una estructura FCC versus una BCC. Adivinar eso desde los primeros principios requeriría resolver una ecuación de Schrödinger con un Hamiltoniano que contiene, entre otras cosas, espín, acoplamiento y momentos asociados con los electrones y núcleos de todos los átomos. Tal sistema está muy lejos de los osciladores armónicos, problemas de dos cuerpos y similares encontrados en los libros de texto. Más bien, terminaríamos con un problema de muchos cuerpos completamente intratable. Ese era el estado de cosas cuando estaba en la escuela. Aunque no he seguido la literatura tan de cerca desde entonces, me sorprendería si eso cambiara mucho o incluso lo hiciera. Ahora, para los metales hay pautas como las reglas de Hume-Rothery que proporcionan las relaciones ideales de electrones-átomos para formar fases intermetálicas (parte de las cuales fue el tema de mi trabajo doctoral), pero esto es diferente de derivar el estado de energía más bajo para un problema de muchos cuerpos que sería necesario para predecir la estructura cristalina de un metal.

En consecuencia, los libros de texto sobre la teoría cuántica de los sólidos (resulta que prefiero Han [3] a Kittel [4]) suponen una estructura cristalina e incorporan la dinámica reticular asociada en los cálculos de las propiedades físicas. Esto funciona lo suficientemente bien porque las estructuras cristalinas se pueden confirmar mediante difracción de rayos X. Por lo tanto, tal vez no haya una necesidad inmediata de poder predecir una estructura de celosía metálica por completo a partir de consideraciones fundamentales, pero dada su importancia como la base sobre la cual se basa gran parte de la teoría cuántica de los metales, la estoy considerando como una importante sin resolver problema en ciencia de materiales.

Notas al pie

[1] Estructura electrónica y las propiedades de los sólidos: la física del enlace químico

[2] http: //tm1-live.eu.aws.cambridge …

[3] Un curso moderno en la teoría cuántica de sólidos

[4] Teoría cuántica de sólidos, segunda edición revisada

1. Un superconductor a temperatura ambiente que se puede formar en un cable duradero y tolerar fuertes campos magnéticos, o si esto permanece fuera del alcance, entonces:
2. Un no superconductor económicamente viable mejorado con mayor conductividad y menor densidad que el cobre (¿compuesto de aluminio + CNT o cuerda CNT?).
3. Un revestimiento de pala de turbina o material de pala que permitirá turbinas de carbón directo sin sacrificar la temperatura de entrada de la sección caliente para la etapa primaria de las plantas de energía de turbina de combustión de ciclo combinado + turbina de vapor (esto es grande).
4. Materiales de electrodos que permitirán un bajo costo, alta eficiencia de carga / descarga, batería de larga duración para suavizar la salida desigual de los sistemas de energía eólica y solar
5. Un proceso de refinación de bajo costo (energía y $$) para el titanio para permitir su mayor utilización en aviones y automóviles.
6. Diseño computacional acelerado y pruebas de nuevas aleaciones de metales.
7. Más opciones de bajo costo, alta resistencia, alta temperatura, termoplásticos resistentes a químicos y plásticos termoendurecibles.
8. Bajo costo, peso ligero. Aleaciones metálicas de alta rigidez y alta resistencia para piezas estructurales de motores de combustión interna.
9. Un nuevo semiconductor que permite el procesamiento de IC factible y circuitos de mayor velocidad.
10. Recubrimientos de baja fricción más duraderos para contacto deslizante en mecanismos donde el PTFE y otras soluciones actuales no duran.
11. Combustibles líquidos con menor costo, mayor eficiencia basada en síntesis de microbios o rutas de conversión del material de alimentación y suficiente facilidad y seguridad de distribución y manipulación.

Podría continuar, pero creo que el mensaje es que tenemos nuestro trabajo para nosotros. También quisiera señalar que estas sugerencias abordan las aplicaciones. Hay una categoría de problemas para comprender mejor los mecanismos del comportamiento material a una escala muy pequeña que contribuye a resolver algunos de los desafíos enumerados anteriormente.

Muchas respuestas relacionadas con problemas de física de estado sólido, pero me gustaría hablar sobre un problema simple que las personas tienen muy poca comprensión. Tome un material y sujételo entre dos agarres y lentamente comience a aplicar carga de tracción. El material, si es dúctil, se deformará plásticamente en un esfuerzo específico llamado límite elástico y se romperá en un esfuerzo específico llamado resistencia máxima a la tracción. Si el material es frágil, fallará directamente a la máxima resistencia a la tracción sin ninguna deformación plástica.

Ahora tome cientos de muestras del mismo material creado en idénticas condiciones. Ahora aplique una carga cíclica variable en el tiempo idéntico en todos estos materiales y observará dos cosas importantes
1. El material falla con una tensión mucho más baja que la resistencia a la tracción final.
2. Hay una amplia dispersión en el no. de ciclos cuando el material fallará (proceso estocástico)

Este proceso se llama Fatiga de material (enlace de Wikipedia: Fatiga (material)). Puede dar una respuesta cualitativa a la primera pregunta, pero la segunda es más desconcertante. ¿Por qué dos muestras creadas a partir de materiales idénticos en condiciones idénticas y cargas idénticas fallarán con un no tan ampliamente diferente? de ciclos? Ok, ¿la distribución de probabilidad es al menos universal? No, la distribución depende en gran medida de la naturaleza de la muestra, el tipo de proceso de fabricación, la carga aplicada y la velocidad del ciclo.

Entonces, ¿cuál es la consecuencia de este evento estocástico llamado fatiga? Si necesito diseñar un nuevo material para una carga cíclica compleja, es casi imposible para mí saber a priori cuál podría ser la resistencia a la fatiga del material fabricado en un proceso específico a una frecuencia de carga determinada. Este es un problema clásico que ha tenido muchas mentes brillantes ocupadas durante siglos pero aún no tiene una solución aceptable.

Para mí, el mayor problema para la ciencia de los materiales es que ‘ ¿Dónde está la limitación de los materiales? ¿Y cómo romperlo? ‘

En nuestra vida normal, absolutamente, existen dudas sobre los materiales. Por ejemplo, cómo extender la vida útil de las baterías, ¿podemos hacer que el cuchillo sea más afilado o hacer que la energía solar sea más barata?
Pero no creo que haya los mayores problemas de la ciencia de los materiales. Nuestro programa más difícil siempre ocurre en la estación extrema. Aquí hay ejemplos.

¿Qué tan pequeños podemos llegar?
Para el desarrollo del microscopio de túnel de exploración, ya podemos controlar el movimiento de un solo átomo. Esta imagen puede ser una de las imágenes científicas más famosas. El científico de IBM utilizó átomos de uranio para formar ‘IBM’ en 1970.

Hoy, incluso podemos usar los átomos para hacer una película. Además, los científicos de IBM controlan cientos de átomos para crear una película, cuyo nombre es ‘Un niño y su átomo’. Representa a un niño jugando con un átomo que toma varias formas.
Un niño y su átomo

Y aquí está la pregunta. ¿Podemos controlar las SUBATOMAS, como nucle, electron o quark? Como todos sabemos, todos los rendimientos de los materiales están relacionados con los comportamientos del átomo y el electrón. Si podemos llegar al nivel subatómico, tendremos la capacidad de construir átomos y ajustar la estructura electrónica, y luego podremos CREAR las propiedades de los materiales.

¿Hasta dónde podemos llegar?
Qué cantidad de personal podemos enviar al espacio. Y si queremos aterrizar en la superficie del sol, donde la temperatura es de alrededor de 6000 ℃. ¿Qué tipo de materiales pueden sufrir una temperatura tan extremadamente alta, siempre que el material natural con el punto de fusión más alto sea el tungsteno, que es 3422 ° C?

Tungsteno

A excepción de la Voyager 1, ningún artefacto puede salir del sistema solar. La razón de esto es que la limitación de la aerotécnica. Y la otra razón es que no podemos producir materiales que puedan soportar el ambiente extremadamente externo del espacio, como temperaturas ultra altas / bajas, radiación, impactos de meteoritos, etc.

Todos los materiales tienen su limitación. Se derretirán en el punto de fusión o se fracturarán cuando la carga exceda la resistencia a la tracción. El deber del científico es romper la limitación de los materiales, lo que puede allanar el camino hacia el futuro humano.
He visto una analogía que es muy impresionante.
Si el conocimiento humano es un círculo, todo lo que podemos hacer es expandirlo. En ese punto, existe el mayor problema.

• Para mí es la capacidad de crear materiales perfectos.
• Navier – Stokes existencia y suavidad, uno de los problemas del Premio del Milenio. Pero eso es más matemática / dinámica de fluidos. ¡US $ 1,000,000 en premios!