•Notícia

L’investigador Daniel Crespo, del Departament de Física Aplicada de la UPC i professor de l’Escola d’Enginyeria de Telecomunicació i Aeroespacial de Castelldefels (EETAC), Milad Madinehei, becari predoctoral al mateix centre, i Jazmín Duarte, doctora per la UPC, han analitzat com disminueix la resistència a la corrosió en acers amorfs en augmentar la temperatura.

Els acers amorfs són una família dels anomenats vidres metàl·lics que, tot i tenir un aspecte similar al d’un metall normal, en alguns casos dupliquen o fins i tot tripliquen la resistència mecànica dels materials metàl·lics cristal·lins de composició similar. Tanmateix, presenten sovint excel·lents propietats magnètiques per a la producció de transformadors de corrent, reduint les pèrdues degudes a la producció de calor fins a un 75% respecte a un transformador normal. La utilització de transformadors d’alta eficiència és imprescindible per reduir les pèrdues en la xarxa de distribució d’energia elèctrica que, alhora, és essencial per assolir l’objectiu establert per la Comunitat Europea de reduir el 2020 en un 20% les emissions de CO₂ respecte de 1990.

Un acer amorf és un vidre metàl·lic on el component principal és ferro. El material estudiat pels investigadors de la UPC incorpora, a més, molibdè (Mo), carbó (C), bor (B) i crom (Cr); si fos cristal·lí, seria un acer inoxidable. Segons l’investigador Daniel Crespo, “a temperatura ambient aquest ‘acer amorf’ mostra una excel·lent resistència a la corrosió”. Tanmateix, s’ha sotmès el material a tractaments tèrmics a temperatures creixents i s’ha estudiat com la mobilitat atòmica provoca l’aparició de successives estructures cristal·lines, fins cristal·litzar totalment el material a 800 ºC. Emprant modernes tècniques analítiques els investigadors han pogut identificar la composició de les diferents fases cristal·lines en funció de la temperatura del tractament tèrmic.

Els materials han estat produïts a la UPC i analitzats primer a la Universitat i després al Max Planck Institute de Düsseldorf (Alemanya), on els investigadors han realitzat diverses estades i Jazmín Duarte gaudeix actualment d’una beca postdoctoral. La principal font d’informació ha estat l'anomenada Tomografia de prova atòmica (ATP, Atom Probe Tomography), que ha permès observar la descomposició del material en dues fases cristal·lines, una rica en ferro i crom i l’altra rica en ferro i molibdè. Els cristalls rics en crom són molt resistents a la corrosió, i conseqüentment la corrosió es focalitza en els cristalls rics en molibdè, que es van dissolent. Atès que els cristalls de les dues fases s’entrecreuen uns amb els altres, al final del procés apareix una estructura plena de cavitats.

El treball de recerca, que es publica a la revista Science, s’ha dut a terme juntament amb investigadors del Max Planck Institute de Düsseldorf i del Centro de Investigación y de Estudios Avanzados (CINESTAV) del Instituto Politécnico Nacional de Mèxic.La majoria dels materials, tant metàl·lics com no metàl·lics, són cristal·lins. En els materials cristal·lins els àtoms estan ordenats formant estructures regulars. Els vidres, però, són materials en els quals els àtoms estan desordenats. Els vidres que es fan servir per a finestres es basen en òxids de silici i es caracteritzen per la seva transparència. Tot i això, la transparència és conseqüència del caràcter no metàl·lic dels vidres habituals i no del fet que els vidres siguin materials desordenats.

Els vidres metàl·lics, i els acers amorfs estudiats en són un tipus, són també materials desordenats. La diferència amb els vidres utilitzats en finestres és que la majoria dels seus components són metalls i, com que aquests no poden ser transparents, els vidres metàl·lics no ho són, tenen l’aspecte d'un metall normal.

L’interès tecnològic dels vidres metàl·lics rau en què, en alguns casos, tenen propietats mecàniques o magnètiques superiors a les dels materials metàl·lics cristal·lins de composició similar. Els vidres metàl·lics magnètics són materials magnètics “tous”, que oposen molt poca resistència per invertir l’orientació del seu camp magnètic; i per això, en fer-ho, s’escalfen molt menys que un material magnètic cristal·lí. En un transformador de corrent el sentit del camp magnètic al nucli s’inverteix amb al mateixa freqüència que ho fa la polaritat del corrent altern (50 vegades per segon). Així, els transformadors que empren nuclis de vidre metàl·lic redueixen fins al 75% de les pèrdues produïdes per escalfament del nucli.

D’altra banda, les modernes bateries de Li-ion que s’utilitzen en els smart phones contenen electròlits molt corrosius, i per evitar els efectes de la corrosió s’utilitzen majoritàriament elèctrodes de grafit. Una característica comuna dels vidres metàl·lics, igual que els vidres de silici, és que es poden emmotllar per fer figures més o menys complexes amb superfícies suaus. En molts casos aquestes superfícies són més resistents a la corrosió, doncs els elements corrosius sovint ataquen els contorns dels plans cristal·lins. Per això s’està estudiant la possibilitat de substituir els elèctrodes de grafit per acers amorfs, amb una conductivitat superior.

Una possibilitat encara més eficient seria emprar l’estructura plena de cavitats produïda mitjançant el procés de corrosió controlada estudiat en aquest treball, doncs l’elèctrode produït d’aquesta forma tindria una superfície molt més gran on intercanviar la càrrega elèctrica i augmentaria considerablement l’eficiència de les bateries, especialment en el procés de recàrrega.

El crom és un àtom molt resistent a la corrosió i, per tant, forma part dels acers inoxidables; de fet un acer inoxidable té, com a mínim, un 10% de crom. El vidre metàl·lic que s’ha investigat a la UPC, amb un 15% de crom, és també un model per estudiar la corrosió en acers inoxidables. Aquesta recerca ha servit per millorar el coneixement dels mecanismes de corrosió en aquest tipus de materials i avançar en les seves possibles aplicacions a nivell industrial.