Maravillas que desafían el calor: Explorando la Tierra y el Espacio en busca de materiales definitivos.

Investigadores de la Universidad de Virginia y la Universidad Estatal de Arizona, financiados por el Departamento de Defensa de Estados Unidos, están investigando minerales y rocas por su potencial en la creación de los materiales más duraderos y resistentes al calor. Crédito: SciTechDaily.com

Un proyecto de investigación colaborativo financiado por el Departamento de Defensa de Estados Unidos está explorando el uso de minerales naturales y rocas para desarrollar materiales resistentes al calor innovadores, centrándose en la sostenibilidad y el uso eficiente de los elementos de tierras raras.

Los materiales más duraderos y resistentes al calor jamás creados podrían estar ocultos a simple vista.

El Departamento de Defensa de Estados Unidos quiere saber si los minerales y rocas encontrados en la Tierra y en el espacio guardan los secretos de los materiales de alta temperatura de próxima generación. Para descubrirlo, el DOD otorgó $6.25 millones a través de su Iniciativa de Investigación Universitaria Multidisciplinaria, o MURI, a un equipo de la Universidad de Virginia y la Universidad Estatal de Arizona. El grupo está liderado por Elizabeth J. Opila de UVA, profesora y presidenta del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales.

El MURI altamente competitivo financia investigaciones científicas fundamentales que el DOD espera que conduzcan a avances en sus áreas de interés a través de conocimientos colectivos de múltiples disciplinas.

"Es un boom en los materiales de alta temperatura debido a las necesidades en la producción de energía, la hipersónica y cosas nuevas como la fabricación aditiva que están surgiendo en el campo", dijo Opila. "Las personas están explorando nuevos espacios de composición donde se mezclan diferentes elementos de diferentes maneras. Además, estamos pensando en estos materiales inspirados en la geología y los planetas, lo cual es muy divertido."

Los minerales y las rocas son complejos en comparación con los compuestos con los que normalmente trabajan los científicos de materiales, dijo Opila, y por eso el potencial de este proyecto es emocionante.

"Los geólogos están realmente enfocados en cómo se formó la Tierra y dónde podemos encontrar estas diferentes sustancias", dijo Opila. "Queremos aprovechar ese conocimiento y llevarlo al espacio de aplicaciones."

Seleccionando propiedades físicas específicas, los investigadores copiarán el uso de la madre naturaleza de las composiciones minerales, temperatura, presión y los cambios rápidos en estas fuerzas, para hacer sus materiales sintéticos. El objetivo es expandir dramáticamente, y documentar para otros, los medios e ingredientes a partir de los cuales se pueden procesar los materiales de alta temperatura para superar cualquier cosa que hasta ahora haya sido conjurada por personas o la naturaleza.

En respuesta a la necesidad de materiales refractarios cada vez mejores, aquellos que resisten el debilitamiento, la fusión o la descomposición bajo calor intenso o condiciones corrosivas, la Oficina de Investigación del Ejército solicitó propuestas sobre Comportamientos Refractarios Emergentes en Materiales Terrestres y Extraterrestres. Entre varios objetivos, el equipo de Opila diseñará, fabricará, probará y describirá una serie de nuevos materiales destinados a superar las cerámicas, aleaciones y revestimientos actuales utilizados en entornos extremadamente calientes, por ejemplo, en un motor a reacción de 3,000 grados Fahrenheit.

Opila es una ex científica de la NASA e innovadora en materiales resistentes al calor y la corrosión. Sus colaboradores son expertos en geología, modelado computacional y ciencia de materiales de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de UVA y las escuelas de Ingeniería de Materia, Transporte y Energía; Ciencias Moleculares; y Exploración de la Tierra y el Espacio de ASU.

Los co-investigadores principales de Opila de la Escuela de Ingeniería de UVA son Patrick E. Hopkins, profesor Whitney Stone de Ingeniería en ingeniería mecánica y aeroespacial, y el profesor asistente de ciencia e ingeniería de materiales Bi-Cheng Zhou.

El Laboratorio ExSiTE de Hopkins se especializa en técnicas basadas en láser para medir propiedades térmicas. Su laboratorio será fundamental para caracterizar los materiales que el equipo desarrolle.

Zhou es un modelador computacional conocido por inventar variaciones del método CALPHAD para ampliar sus capacidades. Él y otro especialista en modelado computacional, el profesor asistente de ciencia e ingeniería de materiales de ASU Qijun Hong, utilizarán sus respectivas especialidades para acelerar el descubrimiento de "recetas" prometedoras para que los laboratorios experimentales las prueben en ambas universidades.

Los laboratorios de ASU están dirigidos por Alexandra Navrotsky, una reconocida experta interdisciplinaria en termodinámica y directora del Centro Navrotsky Eyring para Materiales del Universo, y Hongwu Xu, un mineralogista y químico de materiales y profesor en las escuelas de Ciencias Moleculares y Exploración de la Tierra y el Espacio de ASU.

The teams will make and analyze prospective recipes — often exchanging samples for testing, Opila said, with her lab bringing extreme heat, while the ASU labs apply intense pressure as well as high-temperature testing.

Synthesis of test samples traditionally starts with an element in powder form, said UVA Ph.D. student Pádraigín Stack, which is chemically altered to isolate a target material, or a component of a target.

The new composition, which has been diluted, heated, and dried back to a powder, is then sintered, a process applying enough heat and pressure to form a dense puck of material. Thin slices from the puck, called coupons, provide the samples researchers will subject to various tests — for example, exposing it to steam at high velocities in Opila’s lab or, at ASU, applying geological-like pressures with a diamond anvil.

In addition to these traditional synthesis methods, the team will try approaches inspired by planetary or geological phenomena, such as hydrothermal synthesis, which occurs in heated water at elevated pressures. Since water is abundant in Earth’s hot, pressurized interior, hydrothermal processes are associated with, for example, the formation of minerals containing rare earth elements — critical components for many renewable energy applications.

In the lab, hydrothermal synthesis involves forming crystals in a hot water-based solution in a closed vessel such that gaseous molecules moving atop the liquid exert high vapor pressure within the system.

One focus of the MURI project is utilizing rare earth elements. Many rare earth elements are already used in conventional high-temperature materials, such as environmental barrier coatings in aviation and hypersonic flight, as well as batteries, LED devices and other increasingly in-demand products — but at a steep cost. While not actually rare, separating the elements from soil and rock requires dozens of steps, most of them polluting.

“All these rare earth oxides that we’re going to use are in minerals right now,” Opila said. “Somebody mines them and then they have to separate them all. For example, ytterbium and lutetium are neighbors on the periodic table. They are so chemically similar, it takes 66 steps involving many chemicals resulting in nasty waste products.”

The separation problem led Opila to ask a question at the heart of another project she and her students are working on that’s related to the MURI: “What if you take a mineral made of elements you want straight out of the ground but not separate them, just clean it up a bit and make your material from that?”

They’re experimenting with xenotime, a common mineral, to improve environmental barrier coatings, or EBCs, which protect jet engine parts from hazards like high-velocity steam and desert sand. Ingested sand can melt into glass and react with the underlying alloy if it infiltrates the coating.

“We know certain minerals are stable because we can find them in the ground,” Stack said. “You don’t find metallic iron in the ground, you find iron oxide because iron oxide is what’s stable. Let’s explore why something is stable, or if it has other useful properties, and use that knowledge to make something better.”