Aguantan a -253 °C, la temperatura del hidrógeno líquido, sin volverse frágiles: Oxford y Berkeley explican en Nature el secreto de dos aleaciones de niobio y titanio

A 20 kelvin, es decir, a -253 °C, la temperatura del hidrógeno líquido, algunos metales que en un taller se doblan sin problema, como el hierro o el wolframio, pasan a romperse como el vidrio cuando aparece una grieta.

Un equipo internacional ha encontrado dos aleaciones de niobio y titanio que no hacen eso. Según el estudio publicado el 14 de octubre en Nature, ambas siguieron siendo muy resistentes a la fractura a 20 K, «sin una transición dúctil-frágil medible», escriben los autores.

El primer firmante es el Dr. David Cook, que hizo el trabajo en la Universidad de California en Berkeley y hoy está en la Universidad de Cambridge. La autora de correspondencia por Oxford es la profesora Dong Liu, del Departamento de Ciencias de la Ingeniería. En el equipo participan también el Lawrence Berkeley National Laboratory, la Universidad de Bristol, la fuente de neutrones ISIS, el Pacific Northwest National Laboratory, la Universidad de California en Irvine, Texas A&M y la Universidad Tecnológica de Nanyang, en Singapur.

Un problema que arrastran los metales desde hace décadas

Las dos aleaciones pertenecen a la familia de los metales cúbicos centrados en el cuerpo, la misma estructura atómica del hierro, el wolframio o el cromo. En estos materiales existe una temperatura, llamada de transición dúctil-frágil, por debajo de la cual dejan de deformarse y se parten.

Según la nota de la Universidad de Oxford, a temperaturas muy bajas «una grieta que normalmente se absorbería porque el metal se dobla o se deforma puede, en cambio, hacer que se fracture».

Los autores recuerdan en el artículo que «este problema ha afectado a los materiales bcc, desde los aceros a temperatura ambiente o ligeramente por debajo hasta las aleaciones refractarias de hasta 1.200 °C». Cuando el metal se vuelve frágil, una fisura pequeña puede crecer muy deprisa, como en la viga casi partida de un puente de 1973 sobre el Misisipi, aunque allí el culpable fue el hidrógeno de una soldadura.

«Durante décadas, la transición dúctil-frágil se ha considerado una limitación fundamental de los metales cúbicos centrados en el cuerpo», explicó Dong Liu en el comunicado difundido por la Universidad de Oxford. «Lo que nos sorprendió es que estas aleaciones siguen siendo notablemente tolerantes al daño incluso a 20 kelvin».

El maclado abre rutas nuevas dentro del metal

En un metal de este tipo, la deformación depende sobre todo de las dislocaciones, unos defectos en forma de línea que se desplazan por la red cristalina. Con el frío, esas dislocaciones se mueven cada vez peor y el metal pierde capacidad para deformarse alrededor de una grieta.

En las dos aleaciones, la nota de Oxford describe un proceso distinto: un maclado a escala nanométrica, en el que pequeñas regiones del cristal se reordenan en orientaciones que son la imagen especular de las vecinas, acompañado de un cambio local de la estructura cristalina que el artículo de Nature identifica como fase omega.

Cuando esas estructuras nuevas llegan a la frontera entre dos cristales vecinos, concentran tensiones que generan defectos nuevos en el metal, y esos defectos permiten que el material siga deformándose en vez de agrietarse. La universidad lo compara con una red de carreteras que, ante vías heladas y bloqueadas, abre rutas nuevas.

«Nuestros resultados indican que deberíamos cambiar nuestra forma de pensar sobre qué gobierna la transición a la fragilidad en estos metales», señaló David Cook en la misma nota. «Tradicionalmente, la atención se centraba en la facilidad con la que las dislocaciones ya existentes se mueven por un metal, pero ahora parece que la capacidad de crear nuevas dislocaciones en las interfaces también puede ser crítica».

En el artículo, los autores concluyen que es la combinación de tensiones de maclado bajas y, «sobre todo», de barreras bajas para generar dislocaciones lo que más pesa, algo que atribuyen principalmente a la estructura electrónica de estas aleaciones.

Ensayos a -253 °C en una fuente de neutrones

Las aleaciones se llaman Nb45Ta25Ti15Hf15, que además de niobio y titanio lleva tántalo y hafnio, y Nb70Ti30, una mezcla sencilla de niobio y titanio. Los investigadores eligieron la segunda para comprobar si la complejidad química era imprescindible, y su conclusión es que no lo es.

Para los ensayos usaron el instrumento Engin-X de la fuente de neutrones y muones ISIS, en Oxfordshire. Según la nota, enfriaron las muestras a unos -253 °C con helio gaseoso y las expusieron a un haz de neutrones mientras una máquina tiraba de ellas por ambos extremos, midiendo cuánta fuerza aguantaban y cuánto se estiraban antes de romperse.

A 20 K, la Nb45Ta25Ti15Hf15 alcanzó un límite elástico de unos 938,9 megapascales y una resistencia máxima de unos 1.149,5 megapascales. Su tenacidad de iniciación de grieta, que mide la resistencia a que una fisura empiece a crecer, fue de unos 96,5 MPa√m.

La Nb70Ti30 dio 170 MPa√m a 20 K, frente a 188 a -196 °C y 219 a temperatura ambiente. Es decir, la tenacidad solo cayó un 22 % al bajar casi 280 grados. Después, el equipo examinó las probetas con microscopios electrónicos y con sonda atómica, y completó el análisis con modelos por ordenador.

Para qué puede servir: hidrógeno líquido, cohetes y espacio

La cifra de -253 °C coincide con la temperatura a la que se guarda el hidrógeno líquido. La NASA, que lo usa como combustible del cohete SLS, indica que el hidrógeno se almacena a menos 423 grados Fahrenheit, unos -252,8 °C. Mantenerlo es delicado, como recordó la fuga de hidrógeno líquido que retrasó Artemis II.

Oxford señala que el hallazgo puede dar a los científicos una estrategia nueva para diseñar metales capaces de funcionar en entornos muy fríos, «incluidos los sectores de la energía, el transporte y el aeroespacial». En el artículo, los autores citan también las infraestructuras, las tecnologías energéticas y las aplicaciones hipersónicas como usos que hoy limita la transición a la fragilidad.

Liu va un paso más allá: «Esta clase de materiales será extremadamente útil para componentes que soportan calor y frío extremos en una misma aplicación». La Nb45Ta25Ti15Hf15 se diseñó en origen para combinar ductilidad a temperatura ambiente y resistencia a alta temperatura, según el propio estudio, y ahora se sabe que también aguanta el frío criogénico.

Cook lo resume así: «Con estas ideas, quizá podamos diseñar las condiciones microestructurales que permitan a un material crear sus propias rutas para seguir siendo dúctil a temperaturas extremas».

Lo que el estudio todavía no demuestra

Se trata de dos aleaciones experimentales, probadas en probetas de laboratorio. Los métodos describen tres probetas de tracción y dos de tenacidad con grieta. Ninguna pieza real, ni un depósito ni un motor, se ha ensayado con ellas.

El artículo también recoge que a 20 K la Nb45Ta25Ti15Hf15 pierde cerca de un 50 % de alargamiento a rotura respecto a -196 °C y que, junto a la punta de la grieta, aparecen «algunos signos de rasgos frágiles», con fractura en parte intergranular.

Además, la receta es sensible a las impurezas. Los autores plantean como hipótesis que añadir oxígeno, «probablemente por encima del 1 % atómico», elevaría la temperatura de transición por encima de 20 K, y admiten que hace falta más trabajo experimental sobre el efecto del tamaño de grano. Otros materiales para frío extremo, como la aleación china que bate récords de enfriamiento, persiguen otros fines y no se comparan aquí.

El estudio se ha publicado en Nature el 14 de octubre de 2026.

Crédito de la imagen: Dong Liu / Universidad de Oxford.