Una scoperta fondamentale che altera la nostra attuale comprensione di come i metalli si solidificano e formano modelli cristallini può aiutare a portare a un migliore controllo dei processi di fusione e saldatura. Spiega anche come si formano naturalmente i fiocchi di neve e molti modelli minerali.

Riesaminando i dati del suo esperimento NASA di 20 anni che coinvolgeva il congelamento e la fusione ripetuti di materiali di elevata purezza in condizioni di microgravità, Martin Glicksman, professore di ricerca in scienza dei materiali e la cattedra Allen Henry al Florida Institute of Technology, lavorando con Kumar Ankit alla School of Matter, Trasporti ed energia presso l'Arizona State University, scoperto il modo in cui la natura guida la formazione di modelli complessi nei materiali che si cristallizzano.

Glicksman ha scoperto un campo energetico che influenza tutte le sostanze cristallizzanti, che ha etichettato come il campo di polarizzazione che crede sia il modo in cui la natura guida le microstrutture dendritiche cellulari e ramificate che si formano durante la solidificazione della maggior parte dei metalli e delle leghe.

"Nelle ultime fasi di fusione, cristalli aghiformi improvvisamente mutati in sfere, e così per la prima volta in assoluto, mentre osservavamo le particelle stazionarie che si scioglievano in condizioni di microgravità e osservavamo il loro cambiamento di forma piuttosto notevole, " disse Glicksman.

"Ho detto, " Ha aggiunto, "'Ci deve essere qualcosa di più del semplice rumore.'"

In precedenza, e ancora, molti scienziati ritengono che ciò che causa la formazione di pattern sia il rumore casuale, qualsiasi vibrazione sonora o disturbo che agisce su un materiale che si solidifica. Glicksman e Ankit hanno trovato una sottile fonte di energia interna, il campo di polarizzazione, che in realtà modula la velocità dell'interfaccia solido/liquido su piccole scale e finisce per creare strutture notevolmente complesse. Questa scoperta è stata confermata teoricamente e attraverso metodi di simulazione avanzati.

"Abbiamo avuto la fortuna di eseguire esperimenti in microgravità, dove l'idea del campo di distorsione è stata inizialmente suggerita per spiegare il verificarsi di modelli di fusione insoliti, " Disse Glicksman. "Ora abbiamo una solida teoria termodinamica e prove a sostegno di questa idea."

Glicksman e Ankit hanno recentemente pubblicato sulla rivista le loro scoperte che dimostrano l'esistenza di campi di bias Metalli .

Poiché il processo di solidificazione dei metalli produce microschemi interni simili a rami che disturbano l'omogeneità chimica dei materiali colati, avere una migliore comprensione del ruolo del campo di polarizzazione nella loro formazione apre percorsi per gli ingegneri per apportare miglioramenti ai materiali fusi e saldati comunemente usati in tutto, dalle automobili agli aeroplani agli strumenti medici.

"Se ci aspettiamo miglioramenti nella struttura dei getti, saldature e altri processi di solidificazione, dobbiamo conoscere e applicare la fisica corretta, " Ha detto Glicksman. "Questa scoperta potrebbe potenzialmente portare a miglioramenti del processo metallurgico".