El descubrimiento de las aleaciones de alta entropía (AAE) probablemente vino de la mano de ese espíritu que tenemos de “mezclar cosas a ver qué pasa”. Porque una aleación de alta entropía consiste precisamente en eso: en la mezcla de muchos metales para tratar de obtener nuevos materiales de propiedades útiles.
Las aleaciones clásicas están formadas por dos o tres metales. Las primeras las produjo el ser humano en la época que posteriormente hemos llamado Edad del Bronce precisamente debido al bronce, una aleación de Cu y otro metal o metaloide (que inicialmente eran el arsénico y el estaño). Más tarde se probó con otros elementos. Así, los arqueólogos han encontrado un bronce ternario a base de Cu, As y Ni en el área andina. Aquellos primitivos metalúrgicos comprobaron que los bronces mejoraban las propiedades del cobre en muchos aspectos, especialmente su dureza.
A lo largo del tiempo se han hecho muchas pruebas para obtener aleaciones con características inusuales. Probablemente el mayor éxito se logró con el acero, material fundamental en el desarrollo de las sociedades del que actualmente fabricamos cantidades ingentes y que consiste básicamente en una mezcla de Fe (elemento mayoritario) y C a la que se le añaden pequeñas proporciones de otros metales (como Cr, Mo o NI) para darle propiedades especiales, como hacerlo inoxidable.
Aleaciones multielementales
Fue a partir de los años 70 cuando se pensó en mezclar muchos metales, quizá con la idea más de ciencia teórica que práctica de obtener sistemas muy complejos, es decir, con mucho “caos” o entropía configuracional, que está relacionada con la cantidad de formas diferentes en que los átomos pueden empaquetarse en la red cristalina. Décadas más tarde se realizaron estas aleaciones multielemento, muchas de las cuales constituyen fases homogéneas y estables.
En general, se llama “aleación de alta entropía” a aquella que está constituida al menos de 5 elementos químicos y en proporciones parecidas. La alta entropía (ΔS) disminuye la energía de Gibbs (ΔG) de la aleación y estabiliza la disolución sólida monofásica resultante, tanto más cuanto mayor es la temperatura (por la ley ΔG = ΔH – T ΔS). Se han llegado a obtener aleaciones estables de alta entropía de hasta 17 elementos químicos.
Las AAE tienen algunas propiedades interesantes de las que es posible servirse para crear materiales de cualidades mecánicas útiles. Así, la difusión atómica (salto de átomos a sitios vacantes de la red) es lenta dentro de ellas; la red cristalina presenta distorsiones (por diferencias de tamaño, y esto conduce a tensiones); y además se producen interacciones específicas entre los distintos elementos químicos componentes.
Unas aleaciones muy interesantes de este tipo son los calcogenuros metálicos de alta entropía, que son compuestos iónicos formados a partir de múltiples cationes metálicos y aniones del grupo 16 como los de S, Se y Te, si bien el O también puede formar otro tipo de aleaciones análogas.
Otro ejemplo es la aleación Cantor, que consiste en cantidades equiatómicas de Cr, Mn, Fe, Co y Ni (representada en la imagen de cabecera). Se trata de una disolución sólida monofásica con estructura cúbica centrada en las caras. Es extremadamente dúctil a muy bajas temperaturas pero aumenta su resistencia a medida que su temperatura alcanza los -77 °C. Sus propiedades pueden modularse cambiando las proporciones atómicas o añadiendo otros elementos.
Aplicaciones en fusión nuclear
Aparte de su interés teórico, las AAE pueden tener aplicaciones prácticas como el almacenamiento de hidrógeno y otros gases en los huecos de la red cristalina o la fabricación de piezas que tienen que funcionar a altas temperaturas y presiones (como las de los motores a reacción), y en reactores de fisión nuclear y, potencialmente, de fusión, campo este último en el que es fundamental la elección de los materiales seleccionados como contenedores de las reacciones nucleares, ya que se alcanzan temperaturas altísimas. Además, la aleación tiene que ser resistente al daño debido al flujo de neutrones, que incluso podría producir transmutaciones nucleares. Esto determina la elección de los metales. Por ejemplo, el wolframio no puede producir isótopos que permanezcan radiactivos durante demasiado tiempo, pero los de muchos otros metales sí, como el níquel, que es un componente habitual de las AAE.
