Métodos Ex Situ e In Situ las investigaciones de las transformaciones estructurales: el caso de la cristalización de vidrios metálicos

Este método puede ayudar a responder preguntas clave sobre la evolución de la cristalización en vidrios metálicos a base de hierro con respecto a la variación del tiempo y/o la temperatura. La principal ventaja de este procedimiento es el uso de dos métodos analíticos complementarios basados en la energía nuclear que pueden seguir transformaciones estructurales y magnéticas a través de interacciones hiperfinas. La espectroscopia de Mossbauer realizada ex situ describe cómo aparece la disposición estructural y la microestructura magnética después del recocido a cierta temperatura y tiempo, por lo que refleja una situación estática.

El método de dispersión nuclear directa de la radiación de sincrotrón proporciona datos que se registran in situ durante el cambio dinámico de la temperatura y, por lo tanto, inspecciona los estados transitorios. La Dra. Irena Janatova, investigadora junior de nuestro laboratorio, demostrará el procedimiento. En primer lugar, se funde una masa fundida previamente preparada sobre la rueda de enfriamiento giratoria de un aparato para fundición de flujo plano en condiciones ambientales.

Compruebe la naturaleza amorfa de las cintas producidas realizando difracción de rayos X en geometría de Bragg-Brentano. Utilice un ánodo de cobre y registre el patrón de difracción de 20 a 100 grados de 2-theta con un paso angular de 0,05 grados y una adquisición de 20 segundos para un punto. A continuación, prepare pequeños trozos de las cintas producidas con una masa total de aproximadamente tres a cinco miligramos y colóquelos en un instrumento DSC.

Realice el experimento DSC con una rampa de temperatura de 10 Kelvin por minuto en un rango de temperatura de 50 a 700 grados Celsius bajo atmósfera de argón. Determine la temperatura de inicio de la cristalización, que se toma en la curva del pico más pronunciado en la curva DSC. Elija cinco temperaturas de recocido que cubran las regiones de precristalización y cristalización en el DSC para un recocido ex situ adicional.

Después de esto, prepare cinco grupos de piezas de siete centímetros de largo de la cinta apagada. Para el recocido ex situ, establezca la temperatura de destino en un horno y espere 15 minutos para su estabilización. A continuación, inserte piezas de la cinta en la zona evacuada y estabilizada térmicamente abriendo un espacio de siete a 10 milímetros entre los dos bloques y deslizando las cintas directamente en el centro de la zona calentada.

Cierre el espacio inmediatamente para que la temperatura de la muestra alcance la temperatura del horno en menos de cinco segundos con una diferencia de 0,1 Kelvin. Después del recocido, retire las cintas calentadas y colóquelas sobre un sustrato frío dentro del sistema de vacío para garantizar un enfriamiento rápido de las muestras a temperatura ambiente. Prepare de seis a ocho piezas de cintas de un centímetro de largo para cada muestra para los experimentos de espectrometría de Mossbauer.

Ensamble las cintas una al lado de la otra con cinta adhesiva sobre los extremos de las cintas. Conéctelos a un soporte de aluminio para formar un área compacta de aproximadamente uno por un centímetro cuadrado. Observe la apariencia diferente de ambos lados de las cintas.

Asegúrese de que todas las cintas estén colocadas en el soporte de aluminio con el mismo lado hacia arriba. A continuación, inserte el soporte de aluminio con la muestra en el detector del instrumento. Antes de la medición, lave a fondo el volumen interno del detector con un chorro de gas de detección durante 10 a 15 minutos para expulsar todo el aire residual.

Después del lavado, ajuste el flujo de gas a través del detector mediante una válvula de aguja a tres mililitros por minuto. A continuación, conecte un alto voltaje al detector. Registre los espectros CEMS y CXMS Mossbauer utilizando un espectrómetro de aceleración constante equipado con una fuente radiactiva de cobalto 57 incrustada en una matriz de rodio.

Opere el espectrómetro con un detector de gas a temperatura ambiente de acuerdo con el manual. Para los experimentos de NFS, coloque una cinta de aproximadamente seis milímetros de largo del vidrio metálico investigado en un horno de vacío. A continuación, registre los patrones en el dominio del tiempo NFS durante el calentamiento continuo de la muestra a una temperatura de hasta 700 grados Celsius con una rampa de 10 grados por minuto, utilizando intervalos de tiempo de un minuto para la adquisición de datos experimentales durante todo el proceso de recocido in situ.

Por último, evalúe los datos experimentales de NFS utilizando un software adecuado. La espectrometría de Mossbauer permite la identificación directa del tipo de disposición estructural, específicamente cristalino versus amorfo como se muestra aquí. Aquí se muestran los espectros CEMS tomados desde el aire y los lados de las ruedas de las cintas.

Muestran una contribución creciente de los componentes cristalinos después del recocido ex situ. Aquí se muestra la comparación de las cantidades de cristalitos de las técnicas CEMS y CXMS. La cristalización comienza después del recocido a 410 grados centígrados.

Aquí se muestran los patrones NFS que contienen en el dominio del tiempo la misma información sobre las interacciones hiperfinas que los espectros de Mossbauer en el dominio de la energía, pero que se registran en un tiempo más corto. Aquí se muestra el gráfico de contorno de los patrones de dominio del tiempo NFS registrados durante el calentamiento in situ de cintas templadas. Presenta una transición magnética a la temperatura de Curie y el inicio de la cristalización.

Aquí se muestran ejemplos de patrones NFS. Aquí se muestra la evolución de la cantidad relativa total de nanocristales con temperatura. El inicio de la cristalización está marcado con TX1.

El número total de recuentos de los patrones individuales de dominio del tiempo NFS con respecto a la temperatura del experimento NFS in situ muestra tres regiones bien diferenciadas que evolucionan durante el cambio dinámico de la temperatura. La espectrometría de Mossbauer revela detalles finos de las transformaciones estructurales y/o magnéticas inducidas por el tratamiento térmico. Sin embargo, el tiempo necesario para registrar un espectro puede extenderse a varias horas, lo que limita esta técnica a experimentos ex situ.

Utilizando experimentos de Mossbauer ex situ, podemos investigar la estructura local y la disposición magnética en un material en condiciones estáticas. Estos pueden ser inspeccionados antes y/o después del tratamiento térmico. Siguiendo el procedimiento de dispersión nuclear directa, la adquisición rápida de datos está garantizada por una radiación de sincrotrón extremadamente brillante.

Por lo tanto, se pueden realizar experimentos in situ durante el tratamiento a temperatura y se pueden inspeccionar los estados inmediatos de un material en condiciones dinámicas. Después de ver este video, debería tener una buena comprensión de los beneficios de la técnica de dispersión nuclear directa in situ de la radiación de sincrotrón. Es complementaria a la espectroscopia de Mossbauer ex situ desde el punto de vista de los resultados obtenidos y de las condiciones en las que se consiguen.

Estas técnicas allanan el camino para investigadores en otros campos que están asociados con transiciones estructurales y/o magnéticas, especialmente cuando se prevé la existencia de estados intermedios.