Mecanismos de rotación de los granos en materiales nanocristalinos

 

Un material policristalino es un agregado rígido de cristalitos o “granos” monocristalinos con diferentes orientaciones cristalográficas. Sin embargo, los granos en este sólido rígido experimentan rotaciones durante la evolución de la microestructura. 

La rotación de los granos en condiciones casi rígidas se ha observado ampliamente en materiales nanocristalinos durante la recristalización, la deformación plástica y el crecimiento de los granos; afectando la cinética de crecimiento de los granos y la evolución de la textura cristalográfica.

Esta rotación de granos se ha descrito en términos de varios procesos mediados por las fronteras de grano (GB, del inglés grain boundary), tales como el escalado de dislocaciones de las GBs, su difusión, su deslizamiento y su migración acoplada a esfuerzos de cizalladura, entre otros. A pesar de décadas de investigación, los mecanismos dominantes que subyacen a la rotación de granos siguen siendo enigmáticos. 

Un grupo internacional de investigadores de Estados Unidos, Hong Kong, Alemania y Colombia, empleando películas delgadas de platino, presentaron evidencia directa de que la rotación de granos ocurre a través del movimiento de desconexiones (defectos lineales con características de escalón y dislocación) a lo largo de las GBs. Las películas de platino de 10 nm de espesor fueron obtenidas por erosión iónica con magnetrón sobre sustratos cristalinos de NaCl, posteriormente removidos empleando agua.

Mediante observaciones in situ, empleando la técnica de vanguardia de microscopía electrónica de transmisión de barrido en cuatro dimensiones (4D-STEM, del inglés four-dimensional scanning transmission electron microscopy), revelan la correlación estadística entre la rotación de los granos y el crecimiento o contracción de los mismos. Encuentran que la causa de las rotaciones se debe a la migración de las GBs acopladas a deformaciones de cizalladura que se establecen a través del movimiento de desconexiones. Tal mecanismo es corroborado por observaciones in situ empleando la técnica STEM de campo oscuro anular de ángulo ancho y el análisis asistido mediante simulación de dinámica molecular.

Estos hallazgos brindan información cuantitativa sobre la dinámica estructural de los materiales nanocristalinos, de importancia para mejorar la ingeniería y el diseño en sus aplicaciones tecnológicas.

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