I ricercatori A*STAR hanno dimostrato, attraverso una simulazione al supercomputer, che un'elevata resistenza e memoria di forma può essere realizzata allo stesso tempo combinando grani di cristallo di diverse dimensioni, un'impresa precedentemente ritenuta impossibile. Questa scoperta dimostra il potenziale delle simulazioni avanzate per la personalizzazione dei materiali per ottenere proprietà fisiche precedentemente irraggiungibili.

Le leghe a memoria di forma (SMA) sono materiali che possono tornare alla forma originale riscaldandosi dopo essere stati deformati a bassa temperatura, una proprietà utilizzata in applicazioni come interruttori su scala nanometrica e dispositivi medici come stent e tutori.

Però, le leghe a memoria di forma perdono la loro funzionalità quando la dimensione dei grani di cristallo costituenti scende al di sotto di un certo limite, in genere poche decine di nanometri.

"Sono state proposte un paio di teorie sul motivo per cui questo sta accadendo, " afferma Jerry Quek dell'Institute of High Performance Computing di A*STAR. "Pensiamo che sia più difficile che la trasformazione della memoria avvenga ai bordi dei grani che all'interno dei grani stessi. Questo crea una superficie aggiuntiva tra la fase di memoria trasformata all'interno del grano e la fase non trasformata al confine del grano, che alla fine porta alla soppressione del tutto della trasformazione a granulometrie molto piccole."

Questo è importante perché le SMA, come la maggior parte dei metalli policristallini, diventare forte con granulometrie molto piccole, dove si perde l'effetto memoria. Mentre ottenere forza e memoria allo stesso tempo nello stesso materiale sembrava impossibile, ma se è stato raggiunto, potrebbe ampliare notevolmente l'applicazione potenziale e le funzionalità utili delle SMA.

"Siamo stati motivati ​​da alcuni studi precedenti che hanno dimostrato che la combinazione di due diverse granulometrie potrebbe portare a una fusione di proprietà utili come resistenza e duttilità, " dice Quek. "Tuttavia, il ruolo di questi tipi di microstrutture nelle SMA era sconosciuto. Un approccio di simulazione è molto efficiente per studiare tali processi di ottimizzazione poiché è possibile studiare sistematicamente un ampio set di simulazioni per diverse variazioni della microstruttura dei grani".

Tali simulazioni non sono banali, però, e hanno un costo computazionale molto elevato. Il team di Quek ha fatto ampio uso del National Supercomputing Centre di Singapore, eseguendo un codice che simulava faticosamente la variazione di energia relativa alla struttura atomica all'interno e intorno a 3, 000 grani di cristallo. Il team ha quindi dovuto eseguire centinaia di queste simulazioni con diverse configurazioni di dimensioni dei cristalli per confermare le statistiche.

"Eravamo principalmente interessati alla trasformazione di fase reversibile austenite-martensite, " spiega Quek. "Le fasi austenitica e martensitica hanno disposizioni atomiche diverse, e la memoria di forma è possibile se il materiale può essere commutato in modo reversibile tra le due fasi, come cambiando la temperatura."

Per studiare il comportamento di questa fase, il team ha simulato e osservato come la fase martensitica si è sviluppata estinguendo una lega iniziale di ferro-palladio allo stato di austenite. Studiando un'ampia gamma di combinazioni granulometriche, i ricercatori hanno potuto dimostrare che la formazione della fase martensitica, e quindi la comparsa della memoria di forma, potrebbe essere controllato modificando la distribuzione granulometrica della microstruttura.

"Abbiamo scoperto che l'introduzione di una popolazione di grani più grandi tra grani di dimensioni nanometriche reintroduce l'effetto memoria di forma mantenendo l'elevata resistenza della struttura su scala nanometrica, che potrebbe avere applicazioni in situazioni in cui sia la forza che l'effetto memoria di forma sono importanti, " dice Quek. "Abbiamo anche mostrato che per una certa combinazione di granulometrie, possiamo ottenere una microstruttura in cui una regione subisce trasformazione di fase in martensite mentre altre regioni rimangono austenitiche, che offre la possibilità di progettare materiali con un diverso grado di funzionalità a memoria di forma attraverso un materiale."