Aleaciones de alta entropía: Innovación en materiales complejos y simples

Introducción

Desde la antigüedad, los metales y sus aleaciones han representado una alternativa de solucion fundamental en el desarrollo tecnológico, para resolver los grandes desafíos de la humanidad. La búsqueda constante de materiales con propiedades optimizadas llevó al descubrimiento de las aleaciones de alta entropía (HEA, por sus siglas en inglés) en 2004. Estas representan un cambio paradigmático en la ciencia de los materiales, al introducir una familia de aleaciones caracterizadas por su composición equimolar de cinco o más elementos principales.

Su estructura cristalina única y su alta entropía de mezcla abren nuevas posibilidades en el diseño de materiales con propiedades excepcionales, ampliando los horizontes de la investigación y las aplicaciones industriales. Además de sus propiedades mecánicas, presentan innovadoras características funcionales, como superparamagnetismo, propiedades magnéticas suaves y superconductividad. Estas cualidades amplían su aplicación en áreas como motores y generadores superconductores, donde destacan los superconductores tipo-II de estas aleaciones por su dureza mecánica y comportamiento convencional en ondas superconductoras.

Este artículo tiene como objetivo proporcionar una visión integral sobre las aleaciones de alta entropía (HEAs), abordando desde su definición y características principales hasta los avances tecnológicos en su síntesis. Se analizarán las aplicaciones actuales de estas aleaciones en sectores estratégicos como la energía, la aeroespacial y la salud, destacando su capacidad para superar los límites de las aleaciones convencionales. Además, se explorará el impacto futuro de las HEAs en la ingeniería de materiales, considerando los retos y oportunidades que plantean en el desarrollo de soluciones sostenibles e innovadoras.

¿Qué son y en qué consisten las aleaciones de alta entropía?

Las aleaciones de alta entropía son una innovación en la ciencia de los materiales, caracterizadas por mezclar proporciones iguales o relativamente grandes de al menos cinco elementos principales, configurándose en estructuras cristalinas de alta simetría como cúbica centrada en las caras (FCC), cúbica centrada en el cuerpo (BCC) o hexagonal compacta (HCP).

Se caracterizan por su mezcla multicomponente de elementos, presentan propiedades excelentes, como alta estabilidad térmica, resistencia a la corrosión y al desgaste, y una notable dureza. Por ejemplo, las HEAs con estructura BCC (TaNbMoW, TaNbMoW, TaNbHfZrTi) se distinguen por su estabilidad térmica y dureza¹, mientras que las de fase FCC (CrMnFeCoNi, AlCrMnFeCoNi) ofrecen mejor ductilidad².

Este enfoque contrasta con las aleaciones tradicionales, que suelen basarse en uno o dos componentes dominantes, complementados con pequeñas cantidades de otros elementos para mejorar propiedades específicas. Por ejemplo, los aceros convencionales se basan en hierro con proporciones relativamente bajas de carbono, manganeso u otros aditivos.

El término “aleaciones de alta entropía” fue introducido por el científico taiwanés Jien-Wei Yeh. Su definición subraya el incremento significativo de la entropía de mezcla cuando se combinan múltiples elementos en proporciones similares. Este aumento de entropía favorece la estabilidad térmica y mecánica de las fases formadas, haciendo que estas aleaciones presenten estructuras cristalinas más homogéneas y resistentes.

Además de este nombre, algunos investigadores han propuesto términos alternativos como “aleaciones multicomponentes”, “aleaciones de composición compleja” o “aleaciones de múltiples elementos principales”, reflejando su naturaleza diversa y compleja.

Las HEAs han capturado la atención en la ingeniería y la ciencia de materiales debido a su capacidad para ofrecer propiedades mecánicas y funcionales deseables. Entre sus características más destacadas se encuentran su alta resistencia a la corrosión, dureza, estabilidad térmica y, en algunos casos, una excelente combinación de resistencia y ductilidad. Estas propiedades las posicionan como materiales ideales para aplicaciones en sectores críticos como el aeroespacial, el energético y el militar, donde los materiales convencionales podrían fallar bajo condiciones extremas.

A pesar de su gran potencial, las HEAs también enfrentan desafíos significativos. Entre ellos se incluyen los altos costos asociados a su síntesis, la complejidad en el control de sus microestructuras y la escalabilidad para la producción industrial. Sin embargo, los avances en la tecnología de procesamiento y caracterización de materiales, junto con un enfoque multidisciplinario en su investigación, están allanando el camino para superar estos obstáculos.

Evolución de los supermateriales o aleaciones de alta entropía

A continuación se expone el histórico sobre el avance de las aleaciones metálicas en el tiempo:

Rompiendo los límites de las aleaciones tradicionales

Durante milenios, los avances en metalurgia parecían alcanzar un límite insuperable: añadir demasiados elementos a una aleación resultaba en propiedades negativas, como fragilidad. Sin embargo, en 2004, los investigadores Brian Cantor y Jien-Wei Yeh transformaron esta visión. Descubrieron que, al aumentar la entropía de una mezcla metálica por encima de un umbral crítico, era posible obtener aleaciones de una única fase sencilla, donde los átomos se distribuyen aleatoriamente. Así nacieron las aleaciones de alta entropía (HEA, por sus siglas en inglés), revolucionando la metalurgia y abriendo un nuevo horizonte en la ciencia de materiales.

De las reglas tradicionales a las nuevas fronteras

El concepto inicial de HEA se centró en mezclas equiatómicas, pero pronto se extendió a combinaciones más flexibles. Estas aleaciones han demostrado ser competitivas en propiedades clave, como resistencia a altas temperaturas, capacidad de almacenamiento de hidrógeno y aplicaciones magnéticas. En menos de dos décadas, las publicaciones científicas sobre este tipo de material han pasado de unas pocas a miles, marcando un ritmo acelerado en este campo.

¿Una nueva era de materiales?

Las HEA representan un cambio de paradigma comparable a hitos como el descubrimiento del acero o el bronce. Mientras buscamos soluciones a los límites tecnológicos actuales, estas aleaciones ofrecen una puerta hacia avances significativos en diferentes sectores industriales. Las aleaciones de alta entropía prometen esas mejoras, y están atrayendo un creciente interés en investigación debido a esta combinación única de aleatoriedad estructural y excelentes propiedades, abriendo nuevas posibilidades en el diseño de materiales avanzados.

La síntesis de aleaciones de alta entropía: métodos y avances tecnológicos

Las aleaciones de alta entropía (HEA, por sus siglas en inglés) presentan desafíos significativos en su fabricación debido a la complejidad de su composición y las limitaciones de las técnicas disponibles. Estas aleaciones, que combinan múltiples elementos en proporciones equimolares o cercanas, requieren métodos especializados para lograr estructuras homogéneas y propiedades optimizadas. A continuación, se describen los principales enfoques en su síntesis, destacando los avances y limitaciones de cada técnica.

Métodos basados en la fase de los metales

1. Procesamiento en fase líquida: Este método incluye técnicas como la fusión por arco, fusión por inducción y la solidificación de Bridgman, ampliamente utilizadas para la producción de HEA. La fusión permite combinar metales en estado líquido, favoreciendo la formación de aleaciones con estructuras controladas. Sin embargo, el enfriamiento rápido puede generar microestructuras desequilibradas, lo que exige ajustes precisos en los parámetros del proceso.
2. Procesamiento en estado sólido: La aleación mecánica, utilizando molinos de bolas de alta energía, es la técnica principal en este enfoque. Este método produce polvos metálicos que pueden transformarse en piezas funcionales mediante metalurgia de polvos o sinterización por plasma de chispa. Este proceso es especialmente útil para fabricar aleaciones difíciles de producir mediante fundición, como LiMgAlScTi. Adicionalmente, los polvos resultantes pueden esferoidizarse para su uso en fabricación aditiva, mejorando su fluidez y uniformidad. Un avance notable es el método de aleación secuencial, propuesto por Vaidya et al., que permite una mayor flexibilidad en la formación de fases cristalinas (BCC y FCC). Este método consiste en agregar elementos paso a paso, lo que puede influir significativamente en las propiedades finales de la aleación.
3. Procesamiento en fase gaseosa: Métodos como la pulverización catódica y la epitaxia de haz molecular (MBE) permiten fabricar películas delgadas con composiciones elementales controladas. Este enfoque es ideal para desarrollar recubrimientos metálicos o cerámicos de alta entropía con propiedades específicas.
4. La fabricación aditiva ha emergido como una herramienta clave en la síntesis de HEA, ya que permite obtener microestructuras únicas que combinan alta resistencia (hasta 1.3 GPa) con una ductilidad mejorada. Técnicas complementarias como la pulverización térmica, el revestimiento láser y la electrodeposición amplían las posibilidades de diseño de estas aleaciones, adaptándolas a diversas aplicaciones industriales.

Aleaciones de alta entropía y su impacto en la ciencia de materiales

Avance en las ropiedades y diseno de estructuras cristalinas estables

Las aleaciones de alta entropía (HEAs) representan una clase innovadora de materiales metálicos, se caracterizan por presentar una alta entropía configuracional, derivada de la disposición aleatoria de múltiples elementos en una red cristalina; lo cual, da lugar a una microestructura compleja con propiedades mecánicas apropiadas como alta resistencia, ductilidad, tenacidad y resistencia a la corrosión.

La singularidad de las HEAs no se limita a sus propiedades mecánicas; también destacan por su estabilidad térmica y resistencia al desgaste, haciéndolas ideales para aplicaciones en industrias como la aeroespacial, automotriz y energética. Este fenómeno, regulado por la ecuación de energía libre de Gibbs (ΔGmix = ΔHmix – TΔSmix), permite la estabilización de estructuras cristalinas simples, como cúbica centrada en las caras (FCC), cúbica centrada en el cuerpo (BCC) y hexagonal compacta (HCP), en el contexto de las ciencias de los materiales.

Impacto en la problemática de la corrosión por hidrógeno en los materiales

Las aleaciones de alta entropía (HEAs) no solo representan un avance en el diseño de materiales, sino que también están redefiniendo la comprensión de fenómenos críticos en la ciencia de materiales. Un ejemplo clave es su potencial para resolver el problema de la fragilización por hidrógeno.

Los aceros austeníticos tradicionales, utilizados comúnmente en recipientes para hidrógeno, presentan fragilidad al interactuar con este elemento, limitando su confiabilidad y seguridad. Ante esta problemática, las aleaciones de alta entropía (HEAs) surgen como una alternativa de solución debido a sus propiedades avanzadas.

Las HEAs, compuestas por más de cinco elementos en proporciones similares, poseen estructuras cristalinas complejas que aumentan su resistencia a la fragilización por hidrógeno. Investigadores como los de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM) están utilizando simulaciones avanzadas para comprender cómo las configuraciones de red y las modificaciones en la morfología de las fases internas de estas aleaciones pueden minimizar la difusión de átomos de hidrógeno. Este enfoque busca desarrollar materiales más seguros y eficientes para aplicaciones relacionadas con el hidrógeno.

Además, las HEAs ofrecen ventajas significativas sobre los metales tradicionales, como una mayor resistencia mecánica, una ductilidad mejorada y una mayor estabilidad a altas temperaturas. Estas características hacen de las HEAs una alternativa viable para recipientes de almacenamiento y sistemas de transporte de hidrógeno bajo condiciones agresivas.

Aplicaciones de las aleaciones de alta entropía (HEAs)

Las aleaciones de alta entropía han revolucionado múltiples sectores industriales debido a su composición única y propiedades excepcionales. A continuación, se describen sus principales aplicaciones:

1. Almacenamiento de energía

Los materiales avanzados desempeñan un papel fundamental en la mejora de la capacidad y la ampliación del ciclo de vida de los dispositivos de almacenamiento de energía. Los materiales de alta entropía (HEM) con composiciones controladas y estructuras de fase simples han atraído el interés de los investigadores y han experimentado un rápido desarrollo recientemente.

Los HEA desempeñan un papel crucial en baterías, celdas de combustible y supercondensadores, mejorando capacidad, vida útil y rendimiento electroquímico. Sus estructuras de alta entropía facilitan la estabilidad y eficiencia de los materiales de electrodos, abriendo nuevas posibilidades en dispositivos avanzados de almacenamiento energético.

2. Aplicaciones catalíticas para conversión de energía limpia

Los HEA han demostrado ser catalizadores altamente activos y duraderos en reacciones clave como:

• Evolución de hidrógeno.
• Evolución de oxígeno.
• Reducción de oxígeno.
• Reducción de dióxido de carbono (CO₂).
• Descomposición de amoníaco (NH₃).

Debido a su selectividad y estabilidad, impulsan tecnologías de energía limpia y sostenible.

3. Aplicaciones aeronáutica y tecnología aeroespacial

Por su bajo peso, alta resistencia y capacidad para soportar temperaturas extremas, los HEA son esenciales en componentes estructurales de aviones y cohetes; estas propiedades también los hacen ideales para entornos altamente corrosivos, además tienen usos en aplicaciones críticas de satélites y vehículos espaciales. Representan materiales clave para enfrentar las condiciones extremas del espacio.

4. Aplicaciones Termoeléctricas (TE)

El avance de la tecnología termoeléctrica (TE) aumenta rápidamente a medida que la demanda de energía aumenta constantemente. Por un lado, se utiliza una gran cantidad de energía renovable para satisfacer la creciente demanda energética. Por otro, la tecnología TE es una opción atractiva ya que puede utilizar la energía del calor residual. Además, los materiales TE tienen un tamaño operativo reducido y pueden aplicarse a la refrigeración de estado sólido, la electrónica portátil y wearable, etc.

En la tecnología TE se emplea diferentes materiales avanzados para convertir el calor residual en electricidad. Los materiales termoeléctricos más comunes son Zintl, Heusler, MgSi, entre otros. Sin embargo, varias aleaciones de alta entropía surgen como nuevos materiales TE de interes con propiedades de alta temperatura.

5. Industria Oil & Gas

Las HEA ofrecen resistencia superior a la corrosión, desgaste y altas temperaturas, siendo ideales para tuberías, válvulas y equipos de extracción en condiciones severas. Las aleaciones de alta entropía (HEA, por sus siglas en inglés) están revolucionando el sector Oil & Gas debido a su capacidad para soportar condiciones extremas de operación. Estas aleaciones, caracterizadas por una composición química equilibrada de múltiples elementos, ofrecen una combinación única de propiedades como alta resistencia a la corrosión, estabilidad térmica y excepcional durabilidad mecánica.

En la industria Oil & Gas, estas características son cruciales para componentes expuestos a entornos agresivos, como tuberías submarinas, válvulas de alta presión y equipos utilizados en la extracción y transporte de hidrocarburos. Su resistencia al desgaste y su comportamiento superior en temperaturas extremas las hacen ideales para mejorar la confiabilidad en operaciones tanto en aguas profundas como en ambientes ácidos.

Además, estos materiales son clave en el desarrollo de nuevas tecnologías, como recubrimientos protectores y herramientas de perforación más eficientes, alineándose con la necesidad de la industria de reducir costos y aumentar la sostenibilidad en procesos críticos.

6. Aplicaciones biomédicas

Una aplicación tecnológica adicional de interés para las aleaciones de alta entropía (HEA) es su uso en componentes biomédicos avanzados. Gracias a su excelente resistencia a la corrosión, alta biocompatibilidad y propiedades mecánicas personalizables, actualmente se emplean en la construccion de algunos componentes biomedicos como:

• Implantes ortopédicos y dentales: Las HEA pueden reemplazar materiales tradicionales como el titanio y el acero inoxidable, ofreciendo mejor durabilidad y menor riesgo de rechazo en el cuerpo humano.
• Dispositivos quirúrgicos: Su dureza y resistencia al desgaste las hacen ideales para herramientas quirúrgicas de alta precisión.
• Prótesis personalizadas: Las HEA pueden fabricarse mediante impresión 3D para diseñar prótesis específicas para cada paciente, optimizando su ajuste y funcionalidad.

Esta área de investigación promete mejorar significativamente la calidad y el rendimiento de los dispositivos biomédicos, marcando un hito en la ingeniería de materiales para la salud.

Tendencias futuras de aleaciones de alta entropía (HEAs)

A pesar de que se han publicado más de 400 artículos sobre las aleaciones de alta entropía (HEAs), la comprensión de este campo todavía se encuentra en una etapa inicial. Sin embargo, las investigaciones recientes han identificado tendencias clave que marcarán su desarrollo futuro.

Enfoque en estudios fundamentales y básicos

Las HEAs representan una oportunidad para ampliar el conocimiento en ciencia de materiales y física del estado sólido. A diferencia de las aleaciones convencionales, compuestas por uno o dos elementos principales, las HEAs requieren explorar fenómenos complejos, como las interacciones atómicas, el entremezclado entrópico, la distorsión de la red y la energía de los defectos estructurales, el refuerzo, la resistencia, el desgaste, la corrosión y la oxidación, junto con sus mecanismos y teorías. Comprender estos aspectos es esencial para su desarrollo, y también abre nuevas vías para aplicaciones avanzadas.

Investigación en sistemas de aleaciones prometedores

Es necesario estudiar sistemas de aleaciones que ofrezcan mejores propiedades mecánicas, químicas y físicas. Esto responde a las necesidades constantes de desarrollar aleaciones que no solo superen a las tradicionales en rendimiento, pero que también ofrezcan beneficios en términos de costos, energía y sostenibilidad.

Superar los límites de rendimiento de las aleaciones tradicionales

Un objetivo clave en el desarrollo de HEAs es abordar desafíos tecnológicos inalcanzables con materiales convencionales, como la creación de superconductores a temperatura ambiente o materiales con alt.a dureza y resistencias a temperaturas extremas y medios agresivos, representando una alternativa viable y segura para aplicaciones relacionadas con el almacenamiento y transporte de hidrógeno.

Nuevas fronteras: cerámicas de alta entropía

El concepto de alta entropía también se está aplicando a materiales como nitruros, carburos y óxidos en la fabricación de materiales cerámicos; los cuales, han demostrado ser prometedoras para aplicaciones como recubrimientos funcionales y barreras de difusión, expandiendo aún más el alcance de las HEAs.

Desarrollo de nuevas aplicaciones industriales

La correlación entre los datos experimentales y las aplicaciones prácticas es fundamental para maximizar el potencial de las HEAs. Este enfoque permitirá adaptar estas aleaciones a las necesidades específicas de industrias como la aeroespacial, la automotriz y la energética.

A continuación se presenta un video donde se expone en forma resumida el tema sobre el futuro de estas aleaciones, cortesía de : AJE Video Bytes.

La era de las aleaciones de alta entropía: transformando desafíos en oportunidades

Las aleaciones de alta entropía (HEAs) representan una frontera prometedora en la ciencia de materiales, gracias a su capacidad para combinar elementos de manera casi ilimitada y lograr propiedades únicas. Sin embargo, el desarrollo de estas aleaciones enfrenta desafíos significativos, como la disponibilidad de metales críticos, su alto costo y los riesgos asociados a su manipulación. Estos obstáculos subrayan la necesidad de encontrar alternativas sostenibles y accesibles para avanzar en esta área.

En este contexto, las HEAs abren nuevas posibilidades para abordar problemas globales. Por ejemplo, su diseño podría centrarse en el reciclaje de metales provenientes de residuos electrónicos, ofreciendo una solución innovadora para el tratamiento de materiales difíciles de separar. Investigaciones recientes, como las realizadas por el instituto IMDEA Materiales, han demostrado que es viable desarrollar HEAs a partir de aleaciones preexistentes, reutilizando recursos y reduciendo la dependencia de materiales escasos.

Además, las aplicaciones de las HEAs en sectores estratégicos como el aeroespacial y el biosanitario muestran un potencial revolucionario. Aunque la transición entre el descubrimiento de nuevos materiales y su uso práctico sigue siendo lenta, los avances en técnicas de simulación y modelado están acelerando este proceso, acercándonos cada vez más a soluciones concretas.

¿Estamos entrando en la Edad de las Aleaciones de Alta Entropía? Aunque es pronto para afirmarlo con certeza, su impacto en el desarrollo sostenible y la innovación tecnológica sugiere que estas aleaciones podrían definir un capítulo crucial en la historia de la humanidad.

Conclusiones

Las aleaciones de alta entropía destacan por su estructura cristalina única y sus propiedades excepcionales, como alta resistencia mecánica, estabilidad térmica y resistencia a la corrosión, lo que las posiciona como materiales clave para aplicaciones en ambientes extremos y sectores de alta exigencia tecnológica.

El desarrollo de métodos avanzados de síntesis, como la fusión por arco y la deposición física de vapor, ha sido crucial para optimizar las propiedades de las HEAs. Estos avances no solo mejoran la calidad del material, sino que también amplían las posibilidades de personalización en función de las necesidades específicas de cada industria.

Las HEAs ofrecen un gran potencial para transformar diversos sectores industriales, pero su implementación masiva aún enfrenta desafíos como la complejidad en su fabricación a gran escala y la necesidad de un mayor entendimiento de sus mecanismos de comportamiento. La investigación continua será clave para superar estos obstáculos y maximizar su impacto en soluciones sostenibles y de alto rendimiento.

¿Puede la entropía ser la clave para crear los materiales innovadores del futuro?

Referencias

1. O. Senkov et al; “Microstructure and room temperature properties of a high-entropy TaNbHfZrTi alloy”; J. Alloy. Compd, (2011).
2. J. He et al; “Effects of Al addition on structural evolution and tensile properties of the FeCoNiCrMn high-entropy alloy system”; Acta Mater, (2014).
3. Jianping Huang; “Materiales de almacenamiento de energía de alta entropía: síntesis y aplicación”; Journal of Energy Storage, Volumen 66 , 30 de agosto de 2023.