Leghe ad alta entropia, che sono costituiti da parti quasi uguali di diversi metalli primari, potrebbe contenere un grande potenziale per la creazione di materiali con proprietà meccaniche superiori.

Ma con un numero praticamente illimitato di combinazioni possibili, una sfida per i metallurgisti è capire dove concentrare i loro sforzi di ricerca in un vasto, mondo inesplorato delle miscele metalliche.

Un team di ricercatori del Georgia Institute of Technology ha sviluppato un nuovo processo che potrebbe aiutare a guidare tali sforzi. Il loro approccio prevede la costruzione di una mappa chimica a risoluzione atomica per aiutare a ottenere nuove informazioni sulle singole leghe ad alta entropia e per caratterizzare le loro proprietà.

In uno studio pubblicato il 9 ottobre sulla rivista Natura , i ricercatori hanno descritto l'utilizzo della spettroscopia a raggi X a dispersione di energia per creare mappe di singoli metalli in due leghe ad alta entropia. Questa tecnica di spettroscopia, utilizzato in combinazione con la microscopia elettronica a trasmissione, rileva i raggi X emessi da un campione durante il bombardamento da parte di un fascio di elettroni per caratterizzare la composizione elementare di un campione analizzato. Le mappe mostrano come i singoli atomi si dispongono all'interno della lega, consentendo ai ricercatori di cercare modelli che potrebbero aiutarli a progettare leghe che enfatizzano le proprietà individuali.

Per esempio, le mappe potrebbero fornire ai ricercatori indizi per capire perché sostituire un metallo con un altro potrebbe rendere una lega più forte o più debole, o perché un metallo supera gli altri in ambienti estremamente freddi.

"La maggior parte delle leghe utilizzate nelle applicazioni ingegneristiche ha un solo metallo primario, come il ferro nell'acciaio o il nichel nelle superleghe a base di nichel, con quantità relativamente piccole di altri metalli, " disse Ting Zhu, un professore della George W. Woodruff School of Mechanical Engineering presso la Georgia Tech. "Queste nuove leghe che hanno concentrazioni relativamente elevate di cinque o più metalli aprono la possibilità di leghe non convenzionali che possono avere proprietà senza precedenti. Ma questo è un nuovo spazio compositivo che non è stato esplorato, e abbiamo ancora una comprensione molto limitata di questa classe di materiali".

Il nome "alta entropia" si riferisce alla mancanza di uniformità nella miscela di metalli e in quanti modi diversi e in qualche modo casuali gli atomi dei metalli possono essere organizzati mentre vengono combinati.

Le nuove mappe potrebbero aiutare i ricercatori a determinare se ci sono strutture atomiche non convenzionali che tali leghe prendono che potrebbero essere sfruttate per applicazioni ingegneristiche, e quanto controllo i ricercatori potrebbero avere sulle miscele per "sintonizzarle" per tratti specifici, ha detto Zhu.

Per testare il nuovo approccio di imaging, il team di ricerca ha confrontato due leghe ad alta entropia contenenti cinque metalli. Uno era una miscela di cromo, ferro da stiro, cobalto, nichel, e manganese, una combinazione comunemente chiamata lega "Cantor". L'altro era simile ma sostituiva il manganese con il palladio. Quell'unica sostituzione ha comportato un comportamento molto diverso nel modo in cui gli atomi si sono disposti nella miscela.

"Nella lega di Cantor, la distribuzione di tutti e cinque gli elementi è costantemente casuale, " disse Zhu. "Ma con la nuova lega contenente palladio, gli elementi mostrano aggregazioni significative a causa della dimensione atomica molto diversa degli atomi di palladio e della loro differenza di elettronegatività rispetto agli altri elementi."

Nella nuova lega con palladio, la mappatura ha mostrato che il palladio tendeva a formare grandi ammassi mentre il cobalto sembrava raccogliersi in luoghi dove il ferro era in basse concentrazioni.

Quelle aggregazioni, con le loro dimensioni e spaziature dell'ordine di pochi nanometri, forniscono una forte resistenza alla deformazione e potrebbero spiegare le differenze nelle proprietà meccaniche da una lega ad alta entropia all'altra. Nelle prove di sforzo, la lega con palladio ha mostrato una maggiore resistenza allo snervamento mantenendo un incrudimento e una duttilità a trazione simili a quelli della lega Cantor.

"La modulazione su scala atomica della distribuzione degli elementi produce la fluttuazione della resistenza reticolare, che sintonizza fortemente i comportamenti di dislocazione, " disse Qian Yu, un coautore dell'articolo e un professore all'Università di Zhejiang. "Tale modulazione si verifica su una scala che è più fine dell'indurimento per precipitazione ed è maggiore di quella del tradizionale rafforzamento in soluzione solida. E fornisce la comprensione del carattere intrinseco delle leghe ad alta entropia".

I risultati potrebbero consentire ai ricercatori di progettare leghe personalizzate in futuro, sfruttando una proprietà o l'altra.

Il team comprendeva anche ricercatori dell'Università del Tennessee, Knoxville; Università di Tsinghua; e l'Accademia cinese delle scienze.