I ricercatori giapponesi sono stati in grado di prevedere in modo rapido e accurato la microstruttura delle leghe di nichel-alluminio (Ni-Al) comunemente utilizzate nella progettazione di parti di turbine di motori a reazione. Le previsioni sulla microstruttura di queste leghe sono state finora lunghe e costose. I risultati hanno il potenziale per far avanzare notevolmente la progettazione di materiali, costituiti da una gamma di leghe diverse, utilizzati per realizzare prodotti in diversi settori industriali.

Le leghe sono materiali durevoli costituiti da due o più metalli. Gli attuali costi elevati e le limitazioni di progettazione dei tradizionali processi di produzione delle leghe hanno portato alla necessità di creare metodi di progettazione più efficienti. Una sfida chiave è stata come prevedere con precisione la microstruttura di una lega (la struttura su scala molto piccola che è visibile solo al microscopio) che può influenzare notevolmente le proprietà fisiche come la resistenza, durezza, resistenza alla corrosione, durezza e/o resistenza all'usura.

Gli autori sono stati in grado di prevedere le microstrutture della lega utilizzando il "metodo del campo di fase del primo principio". Questa procedura prevede la microstruttura delle leghe sulla base delle sole leggi fondamentali della fisica (principi primi) e quindi utilizza tali parametri per modellare le formazioni della microstruttura (campo di fase). Ciò è contrario alla modellizzazione empirica, o previsioni basate solo su esperimenti o osservazioni precedenti. Per di più, i ricercatori hanno condotto i loro esperimenti di modellazione ad alte temperature che imitano quelle delle turbine dei motori a reazione (~1027 ^o C).

La ricerca è stata pubblicata su Comunicazioni sulla natura il 1 agosto, 2019.

La ricerca di nuovi materiali con proprietà desiderabili richiede l'ingegneria della microstruttura dei materiali basata sul cambiamento di diverse variabili, come la composizione, morfologia, pressione, temperatura, doping, fusione e forgiatura.

Una tecnica di simulazione affidabile che possa aiutare con la progettazione e la produzione di nuovi materiali basata solo su un principio teorico potrebbe rendere la produzione più veloce ed economica. Però, la maggior parte delle attuali teorie del design dei materiali sono fenomenologiche e derivano da osservazioni sperimentali ed esperienze empiriche. Questi sono entrambi dispendiosi in termini di tempo e denaro.

Ciò che rende il metodo del campo delle fasi dei primi principi così vantaggioso, secondo gli autori, è che collega i calcoli accurati su piccola scala (primi principi) e il modello su larga scala (campo di fase) mediante la teoria della rinormalizzazione, un concetto in fisica che essenzialmente rende finiti infiniti gradi di libertà, o variabili continue discrete. In altre parole, usando il loro metodo, sono stati in grado di superare procedure sperimentali lunghe e costose e di produrre ancora materiali che erano in accordo con i metodi sperimentali.

"Il metodo del campo di fase dei primi principi è stato inventato come la prima tecnica di simulazione multiscala innovativa al mondo. Utilizzando questo metodo, siamo stati in grado di prevedere con successo microstrutture complesse di qualsiasi composizione di leghe Ni-Al da principi primi (leggi fondamentali della fisica) senza utilizzare alcun parametro empirico, e i nostri risultati concordano abbastanza bene con gli esperimenti, " dice Kaoru Ohno, autore corrispondente e professore alla Yokohama National University.

Ohno e i coautori dell'Istituto nazionale per la scienza dei materiali in Giappone affermano che il metodo può essere utilizzato per prevedere la resistenza meccanica delle leghe perché le distribuzioni delle forze locali e le microstrutture possono essere facilmente calcolate.

Il metodo presentato dagli autori può essere utilizzato anche per prevedere le microstrutture di leghe multicomponente, o leghe composte da più di due metalli. "Questi studi evidenziano la natura fondamentale degli acciai e di altre leghe che finora sono state dimostrate solo sulla base di osservazioni empiriche. Pertanto, il metodo proposto è un potente strumento teorico per prevedere rapidamente la lega più adatta in grado di realizzare la resistenza desiderata, durezza, duttilità, plasticità, leggerezza, ecc. per quanto possibile, "aggiunge Ohno.

Nel futuro, gli autori intendono applicare il metodo a vari materiali in acciaio e altre leghe multicomponenti al fine di prevedere la dipendenza delle microstrutture e delle distribuzioni locali delle sollecitazioni dalle loro composizioni iniziali e comprenderne meglio le caratteristiche.