Nel lavoro che potrebbe aiutare a prevenire il fallimento di tutto, dai ponti agli impianti dentali, un team guidato da un ricercatore della Texas A&M University ha preso la prima immagine 3D di una microscopica crepa che si propaga attraverso un metallo danneggiato dall'idrogeno.

"Per la prima volta siamo riusciti a cogliere il crack in flagrante, " ha detto il dottor Michael J. Demkowicz, professore associato presso il Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali presso il Texas A&M.

In precedenza, l'unico modo per analizzare una tale rottura del metallo era guardare i pezzi separati di un componente completamente fratturato, che comporta una certa quantità di congetture. La nuova ricerca mostra cosa sta succedendo alla punta della fessura quando una parte inizia a fratturarsi.

"È molto meglio che arrivare sulla scena del crimine dopo il fatto, ", ha detto Demkowicz.

Di conseguenza, il team ha identificato 10 strutture microscopiche che rendono i metalli più forti e meno suscettibili a un fattore ambientale chiave, l'idrogeno che ci circonda, che può danneggiarli.

Il loro lavoro è pubblicato in Comunicazioni sulla natura . È stato condotto utilizzando due potenti strumenti presso l'Advanced Photon Source (APS) dell'Argonne National Laboratory, e rappresenta una pietra miliare per uno di quegli strumenti come il primo esperimento eseguito da ricercatori al di fuori del team di sviluppo dell'Argonne e della Carnegie Mellon University (CMU).

Un problema comune

I metalli ci circondano in qualsiasi numero di strutture e dispositivi, ma possono essere influenzati negativamente dall'onnipresente idrogeno intorno a noi, principalmente dall'acqua.

"L'idrogeno penetra nel metallo e lo fa rompere inaspettatamente in un processo chiamato infragilimento da idrogeno, " ha detto John P. Hanson, un ingegnere del reattore a Oklo e primo autore dell'articolo.

Un esempio importante riguarda il Bay Bridge di San Francisco. Mentre il ponte era in costruzione nel 2013, gli ingegneri hanno scoperto che 32 dei 96 enormi bulloni chiave della struttura si erano incrinati a causa dell'infragilimento da idrogeno. Il problema è stato individuato in anticipo, quindi non c'è stata alcuna catastrofe, ma ritardò di qualche anno l'apertura del ponte.

Gli scienziati hanno studiato l'infragilimento da idrogeno per oltre 150 anni, ma resta difficile prevederlo.

"Questo è in gran parte dovuto al fatto che non abbiamo una comprensione completa dei meccanismi dietro di esso, " ha detto Hanson, che ha condotto il lavoro mentre conseguiva il dottorato presso il Massachusetts Institute of Technology (MIT).

"Di conseguenza, gli ingegneri devono sovraprogettare con materiale aggiuntivo per coprire eventuali guasti improvvisi e questo costa molto, " ha detto il coautore Peter Kenesei di Argonne, chi opera gli strumenti utilizzati nel lavoro. "Quindi una migliore comprensione di questo comportamento potrebbe avere un enorme impatto economico".

Facendo progressi

"Puoi fare progressi su vecchi problemi quando hai nuovi strumenti, " ha detto Demkowicz. I ricercatori hanno impiegato due diversi strumenti di sincrotrone, microscopia di diffrazione ad alta energia e tomografia ad assorbimento di raggi X, analizzare la struttura microscopica di una cricca in una superlega di nichel. Lo studio rappresenta la prima volta che la tecnica della microscopia è stata utilizzata da ricercatori non coinvolti nel suo sviluppo. Lo strumento sperimentale combinato e il software di analisi sono unici al mondo.

Un metallo è composto da cristalli microscopici, o cereali. Nelle superleghe di nichel, le fratture provocate dall'infragilimento da idrogeno viaggiano lungo i confini tra quei grani. Hanson ha affermato che gli strumenti unici dell'APS beamline 1-ID consentono per la prima volta non solo di guardare gli orientamenti dei grani attorno a una fessura in corso, ma anche i bordi del grano. Da quelle osservazioni, il team ha identificato 10 bordi di grano che sono più resistenti alle crepe.

"Siamo stati in grado di mostrare non solo quali bordi di grano sono più forti, ma esattamente di cosa si tratta che migliora le loro prestazioni, "Ha detto Hanson. Ciò potrebbe in definitiva consentire agli ingegneri di costruire metalli più resistenti progettandoli con quelle caratteristiche.

A breve termine, gli strumenti Argonne potrebbero essere utilizzati per visualizzare la microstruttura dei componenti metallici esistenti per prevedere meglio la loro suscettibilità al guasto. Kenesei osserva che gli strumenti vengono già utilizzati in questo modo per studiare altri materiali di ingegneria, come quelli relativi agli aeroplani, batterie e reattori nucleari.

Sfide estreme

Lo studio ha richiesto otto anni per essere completato, principalmente perché coinvolgeva enormi quantità di dati difficili da analizzare. I dati grezzi per il lavoro riempirebbero quasi 400 DVD. Ulteriore, i dati non assomigliano per niente a un modello 3D del materiale.

"È altamente crittografato sotto forma di strisce e punti, o modelli di diffrazione, che deve essere analizzato da un supercomputer, " ha affermato Robert M. Suter della Carnegie Mellon University (CMU), un esperto in analisi.

Per mettere le sfide in prospettiva, Demkowicz osserva che la microstruttura della cricca è in realtà molto più complicata della struttura del DNA, che Watson e Crick hanno determinato attraverso lo stesso processo generale, ma a mano.