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Las fases de paquete topológicamente cercano ( TCP ) , también conocidas como fases de Frank-Kasper (FK) , son uno de los grupos más grandes de compuestos intermetálicos , conocidos por su compleja estructura cristalográfica y propiedades físicas. Debido a su combinación de estructura periódica y aperiódica, algunas fases de TCP pertenecen a la clase de los cuasicristales . Se han destacado las aplicaciones de las fases TCP como materiales estructurales y superconductores de alta temperatura ; sin embargo, aún no se han investigado lo suficiente para conocer los detalles de sus propiedades físicas. Además, su estructura compleja y a menudo no estequiométrica los convierte en buenos temas para cálculos teóricos.
En 1958, Frederick C. Frank y John S. Kasper, en su trabajo original investigando muchas estructuras de aleaciones complejas , [1] [2] demostraron que los ambientes no icosaédricos forman una red abierta a la que llamaron esqueleto mayor, y es ahora identificado como el lugar de declinación. Se les ocurrió la metodología para empaquetar icosaedros asimétricos en cristales utilizando otros poliedros con números de coordinación mayores . Estos poliedros de coordinación se construyeron para mantener el empaquetamiento topológico cercano (TCP). [3]
Según las unidades tetraédricas , las estructuras cristalográficas FK se clasifican en grupos poliédricos bajos y altos, indicados por sus números de coordinación (CN), que se refieren al número de átomos que centran el poliedro. Algunos átomos tienen una estructura icosaédrica con baja coordinación, denominada CN12. Algunos otros tienen números de coordinación más altos, 14, 15 y 16, denominados CN14, CN15 y CN16, respectivamente. Estos átomos con números de coordinación más altos forman redes ininterrumpidas conectadas a lo largo de las direcciones donde la simetría icosaédrica quíntuple es reemplazada por simetría local séxtuple. [4] Los sitios de coordinación 12 se denominan sitios menores y aquellos con coordinación de más de 12 son sitios mayores. [1]
Los miembros más comunes de una familia de fases FK son: A15 , fases de Laves , σ, μ, M, P y R.
Las fases A15 son aleaciones intermetálicas con un número de coordinación promedio (ACN) de 13,5 y ocho átomos de estequiometría A 3 B por celda unitaria donde dos átomos B están rodeados por un poliédrico CN12 (icosaedros) y seis átomos A están rodeados por un poliédrico CN14. Nb 3 Ge es un superconductor con estructura A15.
Las tres fases de Laves son compuestos intermetálicos compuestos de poliedros CN12 y CN16 con estequiometría AB 2 , comúnmente vistos en sistemas metálicos binarios como MgZn 2 . Debido a la pequeña solubilidad de las estructuras AB 2 , las fases de Laves son compuestos casi lineales, aunque a veces pueden tener una amplia región de homogeneidad.
La fase sigma (σ) es un compuesto intermetálico conocido como el que no tiene composición estequiométrica definida y se forma en el rango de relación electrón /átomo de 6,2 a 7. Tiene una celda unitaria tetragonal primitiva con 30 átomos. CrFe es una aleación típica que cristaliza en la fase σ en una composición equiatómica. Con propiedades físicas ajustables en función de sus componentes estructurales, o de su composición química que proporciona una estructura determinada.
La fase μ tiene una estequiometría ideal A 6 B 7 , con su prototipo W 6 Fe 7 , que contiene una célula romboédrica con 13 átomos. Si bien se han identificado muchos otros tipos de aleaciones de Frank-Kasper, se siguen encontrando más. La aleación Nb 10 Ni 9 Al 3 es el prototipo de la fase M. Tiene un grupo espacial ortorrómbico con 52 átomos por celda unitaria. La aleación Cr 9 Mo 21 Ni 20 es el prototipo de la fase P. Tiene una célula ortorrómbica primitiva con 56 átomos. La aleación Co 5 Cr 2 Mo 3 es el prototipo de la fase R, que pertenece al grupo espacial romboédrico con 53 átomos por celda. [5] [1]
Los materiales de la fase FK se han destacado por su estructura de alta temperatura y como materiales superconductores. Su estructura compleja y a menudo no estequiométrica los convierte en buenos temas para cálculos teóricos. A15, Laves y σ son las estructuras FK más aplicables con propiedades fundamentales interesantes.
Los compuestos A15 incluyen importantes superconductores intermetálicos como: Nb 3 Sn , Nb 3 Al y V 3 Ga con aplicaciones que incluyen cables para imanes superconductores de alto campo. [6] También se está investigando el Nb 3 Sn como material potencial para fabricar cavidades superconductoras de radiofrecuencia .
Pequeñas extensiones de la fase σ disminuyen considerablemente la flexibilidad y deterioran la resistencia a la erosión . Si bien la adición de elementos refractarios como W , Mo o Re a las fases FK ayuda a mejorar las propiedades térmicas en aleaciones como aceros o superaleaciones a base de níquel , aumenta el riesgo de precipitación no deseada en compuestos intermetálicos. [7]