Per quasi 100 anni, gli scienziati pensavano di aver capito tutto quello che c'era da sapere su come si piegano i metalli. Avevano torto.

I ricercatori di scienza dei materiali e ingegneria dell'Università del Wisconsin-Madison hanno dimostrato che le regole della piegatura dei metalli non sono poi così rigide e veloci. Hanno descritto le loro scoperte il 9 agosto nel diario Comunicazioni sulla natura .

La loro sorprendente scoperta non solo capovolge le nozioni precedenti su come i metalli si deformano, ma potrebbe aiutare a guidare la creazione di più forti, materiali più durevoli.

"Questo crea nuove opportunità per il design dei materiali, "dice Izabela Szlufarska, un professore di scienza e ingegneria dei materiali alla UW-Madison. "Aggiunge un altro parametro che possiamo controllare per consentire resistenza e duttilità".

La duttilità è la capacità di un metallo di piegarsi. La maggior parte degli approcci per aumentare la resistenza di un metallo lo fa a scapito della flessibilità e poiché i metalli diventano più resistenti alla flessione, hanno maggiori probabilità di rompersi sotto pressione.

Però, il nuovo meccanismo di flessione dei ricercatori potrebbe consentire agli ingegneri di rafforzare un materiale senza correre il rischio di fratture.

È un anticipo che riveste particolare interesse per l'esercito degli Stati Uniti, che ha urgente bisogno di materiali resistenti e durevoli per mantenere le truppe al sicuro nelle zone di combattimento.

"Il professor Szlufarska ha aperto un'area completamente nuova per l'esplorazione per la lavorazione e la progettazione di materiali strutturali, " ha detto Michael Bakas, responsabile del programma di sintesi ed elaborazione presso l'Ufficio di ricerca dell'esercito nel laboratorio di ricerca dell'esercito del comando di sviluppo delle capacità di combattimento dell'esercito degli Stati Uniti. "Facendo una scoperta di così grande impatto, Il professor Szlufarska ha potenzialmente gettato le basi tecniche per lo sviluppo di una nuova generazione di materiali strutturali avanzati che potrebbero essere impiegati in futuri equipaggiamenti e veicoli dell'esercito".

Gli ingegneri in genere manipolano la forza di un metallo attraverso tecniche come la lavorazione a freddo o la ricottura, che esercitano i loro effetti attraverso piccoli, eppure importante, irregolarità strutturali chiamate dislocazioni.

"Tutti nella comunità dei metalli sanno che le dislocazioni sono critiche, " dice Szlufarska.

È un truismo che si tiene dal 1934, quando tre ricercatori si sono resi conto in modo indipendente che la dislocazione spiegava un paradosso secolare:i metalli sono molto più facili da piegare di quanto le loro strutture molecolari, che in genere assumono la forma di griglie tridimensionali che si ripetono regolarmente, suggerirebbero.

Le dislocazioni sono piccole irregolarità nel reticolo cristallino altrimenti ben ordinato di un metallo. Derivano da lievi discrepanze:immagina le pagine di un libro come file di atomi, e immagina come la risma ordinata di carta diventi leggermente distorta nel punto in cui qualcuno inserisce un segnalibro.

I metalli normali si piegano perché le dislocazioni sono in grado di muoversi, permettendo a un materiale di deformarsi senza strappare contemporaneamente ogni singolo legame all'interno del suo reticolo cristallino.

Le tecniche di rafforzamento in genere limitano il movimento delle lussazioni. Quindi è stato un vero shock quando Szlufarska e colleghi hanno scoperto che il materiale samario cobalto, noto come intermetallico, si piegava facilmente, anche se le sue dislocazioni erano bloccate in posizione.

"Si credeva che i materiali metallici sarebbero stati intrinsecamente fragili se lo slittamento della dislocazione fosse raro, "dice Hubin Luo, un ex scienziato del personale nel laboratorio di Szlufarska che ora lavora presso l'Istituto di tecnologia industriale di Ningbo in Cina. "Però, il nostro recente studio mostra che un intermetallico può essere deformato plasticamente di una quantità significativa anche quando lo slittamento di lussazione è assente."

Anziché, piegando il samario cobalto si formavano bande strette all'interno del reticolo cristallino, dove le molecole hanno assunto una configurazione "amorfa" in forma libera invece della normale, struttura a griglia nel resto del metallo.

Quelle bande amorfe hanno permesso al metallo di piegarsi.

"È quasi come la lubrificazione, " dice Szlufarska. "Lo avevamo previsto nelle simulazioni, e abbiamo anche visto le bande di taglio amorfo nei nostri studi sulla deformazione e negli esperimenti di microscopia elettronica a trasmissione".

Una combinazione di simulazioni computazionali e studi sperimentali è stata fondamentale per spiegare il risultato sconcertante, ecco perché Szlufarska e il suo gruppo erano eccezionalmente adatti a svelare il mistero.

"Spesso è più facile effettuare simulazioni teoriche per spiegare i risultati sperimentali esistenti, "dice Hongliang Zhang, uno studioso postdottorato UW-Madison. "Qui, abbiamo inizialmente previsto teoricamente l'esistenza di bande di taglio e il loro ruolo nella plasticità nel samario cobalto; questi erano fenomeni del tutto sorprendenti. Abbiamo quindi confermato questi risultati sperimentalmente con molti diversi tipi di esperimenti per testare la nostra teoria ed essere sicuri che il fenomeno previsto possa essere effettivamente osservato in natura".

I ricercatori hanno in programma di cercare altri materiali che potrebbero piegarsi in questo modo peculiare. Infine, sperano di utilizzare il fenomeno per mettere a punto le proprietà di un materiale per resistenza e flessibilità.

"Questo potrebbe cambiare il modo in cui cerchi l'ottimizzazione delle proprietà dei materiali, " dice Szlufarska. "Sappiamo che è diverso, sappiamo che è nuovo, e pensiamo di poterlo usare".