Un team di scienziati ha realizzato l'argento più forte di sempre, il 42% più forte del precedente record mondiale. Ma non è questo il punto importante.

"Abbiamo scoperto un nuovo meccanismo all'opera su scala nanometrica che ci consente di produrre metalli molto più forti di qualsiasi cosa mai prodotta prima, senza perdere alcuna conduttività elettrica, "dice Frederic Sansoz, uno scienziato dei materiali e professore di ingegneria meccanica presso l'Università del Vermont che ha co-diretto la nuova scoperta.

Questa svolta fondamentale promette una nuova categoria di materiali in grado di superare un tradizionale compromesso nei materiali industriali e commerciali tra resistenza e capacità di trasportare corrente elettrica.

I risultati del team sono stati pubblicati il ​​23 settembre sulla rivista Materiali della natura .

Ripensare al difetto

Tutti i metalli hanno difetti. Spesso questi difetti portano a qualità indesiderabili, come fragilità o rammollimento. Ciò ha portato gli scienziati a creare varie leghe o miscele pesanti di materiale per renderle più forti. Ma quando diventano più forti, perdono conduttività elettrica.

"Ci siamo chiesti, come possiamo realizzare un materiale con difetti ma superare l'ammorbidimento mantenendo l'elettroconduttività, " ha detto Morris Wang, uno scienziato capo del Lawrence Livermore National Laboratory e coautore del nuovo studio.

Mescolando una traccia di rame nell'argento, il team ha dimostrato che può trasformare due tipi di difetti intrinseci su nanoscala in una potente struttura interna. "Questo perché le impurità sono direttamente attratte da questi difetti, " spiega Sansoz. In altre parole, il team ha utilizzato un'impurezza di rame, una forma di drogaggio o "microlega" come la definiscono gli scienziati, per controllare il comportamento dei difetti nell'argento. Come una specie di jiu-jitsu su scala atomica, gli scienziati hanno ribaltato i difetti a loro vantaggio, usandoli sia per rafforzare il metallo che per mantenere la sua conduttività elettrica.

Per fare la loro scoperta, il team, compresi gli esperti di UVM, Lawrence Livermore National Lab, il Laboratorio Ames, Il Los Alamos National Laboratory e l'UCLA sono partiti da un'idea fondamentale dell'ingegneria dei materiali:man mano che le dimensioni di un cristallo, o grana, del materiale si riducono, diventa più forte. Gli scienziati chiamano questa relazione Hall-Petch. Questo principio generale di progettazione ha consentito a scienziati e ingegneri di costruire leghe più resistenti e ceramiche avanzate per oltre 70 anni. Funziona molto bene.

Fino a quando non lo fa. Infine, quando i grani di metallo raggiungono una dimensione infinitesimale, inferiore a decine di nanometri, i confini tra i grani diventano instabili e iniziano a muoversi. Perciò, un altro approccio noto per rafforzare metalli come l'argento utilizza "confini gemelli coerenti" su scala nanometrica, " che sono un tipo speciale di confine di grano. Queste strutture di atomi accoppiati, che formano un'interfaccia cristallina simmetrica simile a uno specchio, sono estremamente resistenti alla deformazione. Tranne che questi confini gemelli, pure, diventano morbidi quando il loro interspazio scende sotto una dimensione critica di pochi nanometri, a causa di imperfezioni.

Proprietà senza precedenti

Molto approssimativamente parlando, i nanocristalli sono come pezze di stoffa e i nanogemelli sono come fili forti ma minuscoli nella stoffa. Tranne che sono su scala atomica. La nuova ricerca combina entrambi gli approcci per creare quello che gli scienziati chiamano un "metallo nanocristallino-nanotwinned, " che ha "proprietà meccaniche e fisiche senza precedenti, ", scrive la squadra.

Questo perché gli atomi di rame, leggermente più piccolo degli atomi d'argento, si spostano in difetti sia ai bordi dei grani che ai bordi gemelli. Ciò ha permesso al team, utilizzando simulazioni al computer di atomi come punto di partenza e poi passando ai metalli reali con strumenti avanzati presso i Laboratori Nazionali, di creare la nuova forma super forte di argento. Le minuscole impurità di rame all'interno dell'argento inibiscono il movimento dei difetti, ma sono una quantità così piccola di metallo, meno dell'uno percento del totale, che viene mantenuta la ricca conduttività elettrica dell'argento. "Le impurità dell'atomo di rame vanno lungo ogni interfaccia e non in mezzo, " Spiega Sansoz. "Così non interrompono gli elettroni che si stanno propagando attraverso".

Questo metallo non solo supera l'ammorbidimento osservato in precedenza quando i grani e i bordi gemelli diventano troppo piccoli, il cosiddetto "rottura di Hall-Petch", ma supera anche il limite teorico di Hall-Petch di vecchia data. Il team riferisce che una "forza massima ideale" può essere trovata nei metalli con confini gemelli che sono a meno di sette nanometri di distanza, solo pochi atomi. E una versione trattata termicamente dell'argento ramato della squadra ha una misura di durezza superiore a quello che si pensava fosse il massimo teorico.

"Abbiamo battuto il record del mondo, e anche il limite di Hall-Petch, non solo una ma più volte nel corso di questo studio, con esperimenti molto controllati, "dice Sansone.

Sansoz è fiducioso che l'approccio del team per produrre argento super resistente e ancora conduttivo possa essere applicato a molti altri metalli. "Questa è una nuova classe di materiali e stiamo appena iniziando a capire come funzionano, " dice. E anticipa che la scienza di base rivelata nel nuovo studio può portare a progressi nelle tecnologie, dalle celle solari più efficienti agli aeroplani più leggeri alle centrali nucleari più sicure. "Quando puoi rendere il materiale più forte, puoi usarne di meno, e dura di più, " lui dice, "ed essere elettricamente conduttivi è cruciale per molte applicazioni."