Lixiviación selectiva

Cuando una aleación inicialmente homogénea se sumerge en un ácido que disuelve preferentemente uno o más componentes, el componente restante se difunde y se organiza en una microestructura nanoporosa única. El material resultante presenta ligamentos, formados por el material restante, rodeados de poros, espacios vacíos desde donde se lixiviaron o difundieron los átomos.

Desarrollo de la porosidad

La forma en que se desarrolla la porosidad durante el proceso de desaleación se ha estudiado computacionalmente para comprender las vías de difusión a nivel atómico. ^{[ 4 ]} En primer lugar, los átomos menos nobles deben disolverse lejos de la superficie de la aleación. Este proceso es más fácil para los átomos de menor coordinación, es decir, aquellos unidos a menos otros átomos, que generalmente se encuentran como átomos individuales en la superficie ("adátomos"), pero es más difícil para los átomos de mayor coordinación, es decir, aquellos que se encuentran en "escalones" o en el interior del material. Por lo tanto, el paso más lento, y el que es más importante para determinar la velocidad de evolución de la porosidad, es la disolución de estos átomos menos nobles de mayor coordinación. ^{[ 3 ]} Así como el metal menos noble es menos estable como adátomo en la superficie, también lo es un átomo del metal más noble. Por lo tanto, a medida que avanza la disolución, cualquier átomo más noble se moverá a posiciones más estables, como escalones, donde su coordinación es mayor. ^{[ 3 ]} Este proceso de difusión es similar a la descomposición espinodal . ^{[ 3 ]} Finalmente, se forman de esta manera cúmulos de átomos más nobles, y los átomos menos nobles circundantes se disuelven, dejando tras de sí una "estructura bicontinua" y proporcionando una vía para que la disolución continúe más profundamente en el metal. ^{[ 3 ]}

Debido al tamaño de muestra relativamente pequeño que se puede obtener con la desaleación, las propiedades mecánicas de estos materiales a menudo se analizan utilizando las siguientes técnicas: ^{[ 5 ]}

• Nanoindentación
• Compresión de micropilares
• Ensayos de deflexión de puentes
• Arrugas de película delgada

Un concepto común en la ciencia de los materiales es que, en condiciones ambientales, las características más pequeñas (como el tamaño de grano o el tamaño absoluto) generalmente conducen a materiales más resistentes (véase el fortalecimiento de Hall-Petch , la estadística de Weibull ). Sin embargo, debido al alto nivel de porosidad en los materiales desaleados, sus resistencias y rigideces son relativamente bajas en comparación con sus contrapartes masivas. ^{[ 3 ]} La disminución de la resistencia debido a la porosidad se puede describir con las relaciones de Gibson-Ashby (GA), ^{[ 3 ]} que dan el límite elástico y el módulo de Young de una espuma según las siguientes ecuaciones: ^{[ 6 ]}

${\displaystyle \sigma _{y}^{foam}=C_{\sigma }\sigma _{y}^{bulk}(\rho ^{*})^{n_{\sigma }}}$

${\displaystyle E^{espuma}=C_{E}E^{bulk}(\rho ^{*})^{n_{E}}}$

dónde${\displaystyle C_{\sigma }}$y${\displaystyle C_{E}}$son constantes geométricas,${\displaystyle n_{\sigma }}$y${\displaystyle n_{E}}$son exponentes dependientes de la microestructura y${\displaystyle \rho ^{*}=\rho ^{espuma}/\rho ^{masa}}$es la densidad relativa de la espuma.

Las relaciones GA se pueden usar para estimar la resistencia y rigidez de un material poroso desaleado dado, pero un estudio más extenso ha revelado un factor adicional: el tamaño del ligamento. Cuando el diámetro del ligamento es mayor que 100  nm, el aumento del tamaño del ligamento conduce a una mayor concordancia entre las predicciones GA y las mediciones experimentales de la tensión de fluencia y el módulo de Young. ^{[ 7 ]} Sin embargo, cuando el tamaño del ligamento es menor que 100  nm, lo cual es muy común en muchos procesos de desaleación, hay un aumento en la resistencia GA que se parece al fortalecimiento de Hall-Petch de metales policristalinos masivos (es decir, la tensión de fluencia aumenta con la raíz cuadrada inversa del tamaño de grano). Combinando esta relación con la relación GA anterior,  se puede determinar una expresión para la tensión de fluencia de materiales desaleados con ligamentos menores que 100 nm: ^{[ 3 ]}

${\displaystyle \sigma _{y}^{foam}=C_{\sigma }A\lambda ^{-m}(\rho ^{*})^{n_{\sigma }}}$

donde A y m son constantes determinadas empíricamente, y${\displaystyle \lambda }$es el tamaño del ligamento. El${\displaystyle \lambda ^{-m}}$representa la contribución tipo Hall-Petch.

Existen dos teorías sobre por qué se produce este aumento de resistencia: 1) las dislocaciones son menos comunes en volúmenes de muestra más pequeños, por lo que la deformación requiere la activación de fuentes (lo cual es un proceso más difícil), o 2) la acumulación de dislocaciones fortalece el material. En cualquier caso, habría efectos superficiales y de volumen pequeño significativos en los ligamentos <100  nm, lo que conduce a este aumento en la tensión de fluencia. ^{[ 7 ]} No se ha estudiado una relación entre el tamaño del ligamento y el módulo de Young más allá de la relación GA. ^{[ 3 ]}

En ocasiones, la naturaleza metaestable de estos materiales implica que los ligamentos de la estructura pueden "estrangularse" debido a la difusión superficial, lo que disminuye la conectividad de la estructura y reduce la resistencia del material desaleado más allá de lo que cabría esperar simplemente por porosidad (como predicen las relaciones de Gibson-Ashby ). ^{[ 8 ]}