Immagine a microscopio della struttura della nuova lega di tungsteno e titano, in seguito all'esposizione a 1.100°C per una settimana. L'immagine mostra come la lega riesce a mantenere comunque la sua struttura nanocristallina anche dopo questo trattamento. Credit: Chookajorn et al. / Science
La maggior parte dei metalli, dall'acciaio al rame all'oro, sono composti da cristalli: file di molecole ordinate in un pattern perfetto che si ripete. In molti casi, il materiale è composto da cristalli piccoli, molto vicini tra di loro, piuttosto che da un singolo cristallo grosso. Riuscire ad avere metalli composti da cristalli piccolissimi è un grande vantaggio perché migliora notevolmente le loro proprietà, ma questi materiali diventano facilmente instabili. I cristalli tendono a fondersi e diventare più grossi quando sono sottoposti a calore o stress.
Adesso però, un gruppo di ricercatori del MIT è riuscito ad evitare questo problema! Hanno progettato una nuova serie di leghe che si basano su granelli estremamente piccoli, chiamati nanocristalli, grandi solo pochi miliardesimi di metro in diametro. Queste nuove leghe riescono a mantenere la propria struttura nanocristallina anche se sottoposte a grandissimo calore io alta pressione. Questa scoperta ha ovviamente grandissime implicazioni nella scienza dei materiali e in generale per tutte quelle aree industriali alla ricerca di materiali eccezionalmente resistenti.
Le nuove scoperte, insieme alle basi teoretiche per identificare specifiche leghe che formano strutture nanocristalline, ed i dettagli circa la fabbricazione ed i test di uno di questi materiali, sono descritti nell'edizione del 24 Agosto, della rivista scientifica Science.
Tongjai Chookajorn, studente del Dipartimento per le Scienze dei Materiali, presso il MIT, ha guidato questa impresa per progettare e sintetizzare una nuova classe di leghe al tungsteno con strutture nanocristalline stabili. Heather Murdoch, sua compagnia di corso, ha costruito il modello teorico per trovare le giuste combinazioni di metalli, e le proprietà dei materiali, dimostrando che hanno la stabilità e le proprietà predette dalla sua teoria. Insieme a loro ha lavorato al progetto anche Christopher Schuh, consulente e professore di Metallurgia, a capo del dipartimento di Scienze dei Materiali presso l'MIT.
Per decenni, i ricercatori e l'intera industria dei metalli, hanno cercato di creare leghe con cristalli sempre più piccoli, spiega Schush, che poi aggiunge che "alla natura non piace fare questo. Alla natura piace trovare gli stati a bassa energia, ed i cristalli più grandi hanno solitamente un'energia più bassa."
Cercando coppie di materiali che possano formare nanocristalli stabili, Murdoch ha studiato moltissime combinazioni tra diversi metalli che naturalmente non si trovano ma insieme e non sono stati prodotti in laboratorio. "L'approccio metallurgico convenzionale al design di una nuova lega non è incentrato riguardo ai confini tra granelli" ha spiegato Schuh. "Si concentra piuttosto sulla possibilità che i due materiali possano o non possano essere mischiati insieme. Ma è il confine tra granelli che è cruciale per creare dei nanocristalli stabili. Così Murdoch è riuscita a trovare un modo per incorporare queste nuove condizioni circa i confini tra granelli nei calcoli del team."
Tongjai Chookajorn, a sinistra, e Heather Murdoch, a destra, sono le due studentesse che si sono occupate della ricerca ed i cui risultati sono appena stati pubblicati su Science. Le nuove leghe da
loro sviluppate potrebbero rivoluzionare molti aspetti dell'industria mondiale.
Credit: Dominick Reuter
Tanti sono i vantaggi di queste nuove leghe. Per esempio, la lega di tungsteno e titano, presentata dai ricercatori del MIT, si è dimostrata eccezionalmente resistente e potrebbe trovare tante applicazioni nella protezione dagli impatti, specialmente nel campo industriale o militare, sia per veicoli che per armatura personale. Ma le applicazioni possibili sono davvero incredibilmente aste, e potrebbero anche portare a centinaia di nuove leghe a partire da queste.
Materiali costruiti con simili strutture nanocristalline potrebbero avere ulteriori importanti qualità come un'eccezionale resistenza alla corrosione. Ma scoprire materiali che rimarranno stabili con una composizione di cristalli così piccoli, in mezzo a quasi infinite combinazioni possibili, sarebbe senza impossibile attraverso un processo di prova ed errore. Quello che invece il team ha deciso di fare è creare modelli computerizzati per simulare centinaia di possibili leghe, e capire così in anticipo quali potrebbero funzionare.
La chiave per creare delle leghe nanocristalline è "trovare quel sistema per cui, quando si aggiunge l'elemento di lega, va a mettersi nei confini e li stabilizza" ha spiegato Schuh. Quindi diversamente da quanto succede di solito, il materiale di lega non va a distribuirsi uniformemente nel materiale. Sotto le norme della classica teoria della metallurgia, questo arrangiamento selettivo di materiali non è previsto.
La nuova lega di tungsteno e titanio che Chookajorn ha sintetizzato, composta da granelli grandi solo 20 nanometri in diametro, è rimasta stabile per una settimana intera ad una temperatura di 1.100°C. Questa è una temperatura consistente con i processi di sinterizzazione, dove del materiale in polvere viene messo in una forma e viene riscaldato a temperature altissime fino a prendere una forma solida. Questo significa che questa lega potrebbe facilmente diventare un materiale molto utile per una grande varietà di applicazioni dove l'alta resistenza è fondamentale.
