I ricercatori dell'EPFL hanno sviluppato modelli di leghe di magnesio per capire come rendere il metallo più flessibile. Il magnesio è il metallo più leggero sulla terra, ma non può essere facilmente modellato in forme utilizzabili. I ricercatori sperano che con i modelli porti alla scoperta di nuovi, leghe più malleabili, in modo che le case automobilistiche possano realizzare veicoli più leggeri che consumano meno energia.

Riduci solo 100 chilogrammi di peso di un'auto e aumenterai la sua efficienza energetica di circa il 3,5 percento. Realizzare macchine e attrezzature più leggere è un obiettivo dei produttori in settori che vanno dall'automotive all'aerospaziale. E la chiave potrebbe essere proprio il magnesio, un metallo che non è solo quattro volte più leggero dell'acciaio, ma è anche facile da trovare. Il problema è che il magnesio puro è difficile da allungare e formare e quindi non può essere usato così com'è. Così, i ricercatori del Laboratorio di modellistica meccanica multiscala dell'EPFL hanno sviluppato un modello per prevedere come si comporta il metallo quando viene miscelato con elementi diversi al fine di determinare quale tipo di lega fornisce la capacità di deformazione necessaria per le applicazioni industriali. La loro ricerca è stata pubblicata oggi in Scienza .

Accendino, leghe più malleabili

"Il magnesio diventa molto più malleabile se si aggiungono alcuni atomi di metalli delle terre rare, calcio, o manganese, "dice William Curtin, un professore alla School of Engineering dell'EPFL. "Volevamo capire cosa sta succedendo in queste leghe a livello atomico, in modo da poter identificare quali elementi aggiungere e in che quantità per rendere duttile il metallo." Il magnesio può essere apprezzato per il suo peso ultra ridotto, ma ha anche una duttilità molto bassa. "Ciò significa che può rompersi facilmente se è deformato, e quindi non può ancora sostituire l'acciaio o l'alluminio, " dice Curtin. La soluzione è trovare a basso costo, minerali facilmente disponibili che possono essere utilizzati per creare leghe di magnesio. I metalli delle terre rare come l'ittrio e il cerio sono altamente efficaci, ma per il resto non soddisfano questi criteri.

Questi ricercatori hanno precedentemente identificato le proprietà fisiche che rendono difficile modellare il magnesio puro. Era risaputo che l'aggiunta di alcuni elementi può renderlo più malleabile. Ma i ricercatori non hanno una buona conoscenza dei meccanismi fisici in atto, il che significa che hanno difficoltà a prevedere quali sarebbero le leghe migliori. "Gli ingegneri spesso progettano e testano nuove leghe di acciaio e alluminio, i metalli più comunemente usati, svilupparsi più leggeri, composti più solidi o più malleabili, " dice Curtin. Ma i fattori che influenzano la duttilità di una lega rimangono un mistero e molti materiali sono ancora sviluppati sperimentalmente.

Studiare i metalli su scala atomica

I ricercatori dell'EPFL hanno studiato le interazioni tra gli atomi di magnesio e gli atomi degli elementi aggiunti per realizzare le leghe. Hanno scoperto che alcuni atomi innescano un processo che "annulla" il meccanismo che rende difficile modellare il magnesio. La bassa duttilità del magnesio è dovuta al suo basso numero di dislocazioni mobili, quali sono i difetti lineari che fanno scorrere plasticamente i metalli e che ne rendono meno probabile la rottura quando si deforma. I ricercatori hanno scoperto che l'aggiunta di determinati elementi aumenta sostanzialmente il numero di dislocazioni mobili e quindi migliora la capacità di deformazione del metallo. Hanno quindi trascorso diversi mesi utilizzando il sistema di calcolo ad alte prestazioni dell'EPFL per calcolare tramite la meccanica quantistica quali combinazioni di atomi risultano nella massima duttilità. "Siamo stati davvero fortunati ad avere accesso a questa attrezzatura, che ci ha permesso di iniziare subito a lavorare, "dice Curtin.

Per ora le leghe sono ancora in fase di modellazione. Il prossimo passo sarà la fabbricazione in laboratorio per vedere se hanno le giuste proprietà per l'uso industriale e possono essere prodotti su larga scala.