Gli ingegneri dell'Università della California di San Diego hanno gettato nuova luce su un mistero scientifico riguardante il meccanismo a livello atomico dell'infragilimento da zolfo del nichel, un problema classico che ha sconcertato la comunità scientifica per quasi un secolo. La scoperta arricchisce anche la comprensione fondamentale dei bordi generali dei grani che spesso controllano le proprietà meccaniche e fisiche dei materiali policristallini.

Lo studio è stato condotto da Jian Luo, un professore di nanoingegneria e scienza e ingegneria dei materiali presso la UC San Diego Jacobs School of Engineering. L'opera è pubblicata il 17 luglio in Comunicazioni sulla natura .

Dai primi del '900, ingegneri e scienziati hanno riconosciuto che le impurità dello zolfo causano nichel e altri metalli duttili, come ferro e acciaio, fallire a bassi livelli di stress. L'infragilimento da zolfo dei metalli è di importanza tecnologica generale perché molte leghe ingegnerizzate sono utilizzate in ambienti contenenti zolfo, come le leghe per alte temperature a base di nichel utilizzate nelle centrali elettriche a carbone di nuova generazione per aumentare l'efficienza energetica.

I ricercatori hanno saputo che questo infragilimento è correlato alla segregazione del bordo del grano dello zolfo, ma i meccanismi atomici sottostanti sono rimasti sfuggenti.

Gli ingegneri della UC San Diego hanno gettato nuova luce su questi meccanismi esaminando i bordi generali dei grani nei policristalli di nichel drogati con zolfo. Hanno usato una combinazione di microscopia elettronica a trasmissione a scansione corretta per l'aberrazione e simulazioni atomistiche di ensemble semi-grand-canonico.

Il team di Luo ha scoperto che la competizione tra l'ordinamento e il disordine dell'interfaccia porta alla formazione alternata di sfaccettature simili a quelle amorfe e simili a doppio strato ai bordi generali dei grani. Hanno anche scoperto che le strutture interfacciali bipolari causano fragili fratture intergranulari tra strutture polari di zolfo-nichel che sono allineate disordinatamente in due direzioni opposte.

"Meccanismi simili possono causare l'infragilimento del bordo grano in altri sistemi metallo-non metallo. Gli esempi includono ossigeno, zolfo, infragilimento da fosforo e idrogeno di altri metalli e leghe. Questi sono di grande importanza tecnologica, " disse Luo.

Questo lavoro fa avanzare ulteriormente la ricerca precedente del gruppo di Luo sull'infragilimento da bismuto del nichel, che è stato fatto in collaborazione con Lehigh University e pubblicato in due successivi rapporti in Scienza nel 2011 e nel 2017. I ricercatori hanno scoperto che nel nichel drogato con bismuto si formano strutture interfacciali altamente ordinate ai bordi generali dei grani. Nel nuovo Comunicazioni sulla natura studio, Il gruppo di Luo ha scoperto che le strutture interfacciali bipolari disordinate si formano nel nichel drogato con zolfo.

"Bismuto e zolfo sono due ben note impurezze fragilizzanti per il nichel. È interessante notare che abbiamo scoperto che questi rappresentano due casi estremi di strutture interfacciali:ordinate contro disordinate, rispettivamente. Così, possono essere considerati come due classici esempi di infragilimento al bordo grano con differenti strutture atomistiche sottostanti, " ha detto Luo.

A parte i meccanismi di fragilità, i ricercatori affermano che questo studio getta nuova luce sui misteriosi fenomeni di crescita anormale dei grani nel nichel drogato con zolfo, e arricchisce la comprensione fondamentale delle interfacce disordinate. Questo studio sfida anche una visione tradizionale, mostrando che l'orientamento della sfaccettatura del bordo del grano, invece del disorientamento, determina la struttura dell'interfaccia.

"Questo lavoro amplia la nostra conoscenza fondamentale delle interfacce dei materiali oltre le interfacce ordinate ben caratterizzate e gli speciali confini simmetrici nei bicristalli artificiali che sono stati al centro della maggior parte degli studi precedenti. Ora, abbiamo una nuova visione delle interfacce disordinate e dei confini di grano generali nei policristalli del mondo reale, che spesso limitano le prestazioni della maggior parte dei materiali ingegnerizzati, " disse Luo.