I progressi più significativi nella civiltà umana sono contrassegnati dalla progressione dei materiali utilizzati dagli esseri umani. L'età della pietra lasciò il posto all'età del bronzo, che a sua volta diede il via all'età del ferro. Nuovi materiali sconvolgono le tecnologie del tempo, migliorare la vita e la condizione umana.

Allo stesso modo, le moderne tecnologie possono essere direttamente ricondotte alle innovazioni nei materiali utilizzati per realizzarle, come esemplificato dall'uso del silicio nei chip dei computer e negli acciai all'avanguardia che sono alla base delle infrastrutture. Per secoli, però, materiali e design della lega hanno fatto affidamento sull'uso di una base, o principale, elemento, a cui si aggiungono piccole frazioni di altri elementi. Prendi l'acciaio, ad esempio, in cui piccole quantità di carbonio aggiunte all'elemento principale ferro (Fe), portare a proprietà migliorate. Quando vengono aggiunte piccole quantità di altri elementi, l'acciaio può essere adattato per, dire, maggiore resistenza alla corrosione o maggiore resistenza.

Risalente ad un'idea proposta nel 2004, gli ultimi anni hanno visto l'emergere di un nuovo paradigma nella progettazione delle leghe, in cui tre o più elementi sono mescolati in proporzioni approssimativamente uguali. Leghe multiprincipali denominate (MPEA), o spesso noto come un sottoinsieme di queste leghe chiamate leghe ad alta entropia, questi materiali offuscano la distinzione tra popolazioni di elementi maggioritarie e minoritarie. Questa unione più perfetta di partner atomici che compongono il materiale collettivo mostra proprietà eccitanti che consentono loro di funzionare meglio delle loro controparti tradizionali.

"Alcuni di questi materiali mostrano eccezionali combinazioni di forza, duttilità e tolleranza ai danni, " scrive un team di ricercatori dell'UC Santa Barbara, tra cui i professori di materiali Dan Gianola, Tresa Pollock e Irene Beyerlein, e il ricercatore postdottorato Fulin Wang e i loro coautori in un articolo pubblicato oggi sulla rivista Scienza . "Le leghe refrattarie [realizzate da un gruppo di nove elementi metallici sulla tavola periodica che sono altamente resistenti al calore e all'usura] sono candidati interessanti per l'uso a temperature estremamente elevate associate a molte applicazioni tecnologiche".

Gli MPEA hanno motivato lo sviluppo di MPEA refrattari, realizzato per la prima volta nel 2010. Ma l'utilizzo di più leghe aumenta quasi all'infinito il numero di possibili "ricette" della lega. L'enorme numero di combinazioni che è possibile ottenere pone le basi per l'uso di screening computazionali avanzati e apprendimento automatico per indirizzare i sottoinsiemi di materiali con le proprietà più interessanti e desiderabili.

"Affinché questi approcci abbiano successo, è fondamentale che il processo di progettazione della lega sia guidato dalla comprensione delle origini delle proprietà specifiche desiderate, " scrive Julie Cairney, un professore alla Scuola di Aerospazio, Ingegneria meccanica e meccatronica, all'Università di Sydney, in Australia, in un pezzo di accompagnamento.

nella loro Scienza carta, il team della UCSB e i colleghi dell'Università del Kentucky, il Laboratorio di Ricerca Navale degli Stati Uniti, e il laboratorio di ricerca dell'aeronautica statunitense, suggeriscono un modo per migliorare la capacità di prevedere quali leghe potrebbero avere proprietà preziose.

La principale tra tali proprietà è la capacità di una lega di deformarsi, cioè essere modellato o piegato, senza crepe e per mantenere la sua integrità materiale sotto i carichi eccessivi e l'elevato calore trovato in ambienti estremi, come nelle ali degli aeroplani, motori a razzo e turbine industriali.

"A livello atomico, un materiale si deforma, o cambia forma, per effetto del movimento degli atomi, " ha spiegato Wang, un postdoc nel laboratorio di Gianola.

Le strutture cristalline dei metalli sono costituite da piani sovrapposti di atomi organizzati in una griglia molto regolare. Quando un metallo si deforma, gli atomi si muovono, o diapositiva, l'uno sull'altro sulla griglia. La linea che separa le regioni in cui gli atomi si sono spostati e dove non lo sono è chiamata dislocazione. Le proprietà delle dislocazioni, compresa la facilità e la posizione in cui possono spostarsi, diventano quindi molto importanti per i comportamenti deformativi del materiale.

Nonostante i vantaggi delle leghe MPE, i progressi nella loro progettazione sono stati lenti. Mentre i tradizionali approcci per tentativi ed errori sono inefficienti, dal 2017 circa ulteriori sforzi di ricerca sono stati dedicati allo sviluppo di teorie per cercare di identificare la ragione sottostante per cui una particolare lega aveva proprietà desiderabili.

"Ma, "Wang ha detto, "mancano prove sperimentali per informare alcuni elementi critici della teoria. Quando ho iniziato a lavorare a questo progetto, la mia domanda immediata era, cosa hanno di speciale le MPEA rispetto alle leghe tradizionali? Poiché siamo interessati alle proprietà meccaniche, ci concentriamo sulle dislocazioni".

In questo studio, i ricercatori hanno utilizzato la microscopia elettronica per studiare le configurazioni delle dislocazioni e svelare le origini meccanicistiche che danno origine a proprietà desiderabili in una lega modello. In combinazione con le simulazioni atomistiche del gruppo di Irene Beyerlein, hanno dimostrato che il campo casuale di diversi elementi sblocca molteplici percorsi per i movimenti di dislocazione, caratteristiche non disponibili nelle leghe convenzionali.

"Per le dislocazioni convenzionali, la forza per rompere i legami atomici in una dislocazione è valutata singolarmente perché tutti gli atomi sono uguali, " Beyerlein ha detto. "Per la dislocazione MPE, questa forza non può essere deterministica. La struttura di una dislocazione MPE viene ridefinita mentre cerca di muoversi attraverso ambienti atomici che cambiano casualmente.

"Con i nostri calcoli atomistici, abbiamo adottato l'approccio di aspettarci l'inaspettato e abbiamo sondato non solo i modi usuali ma anche altri modi di scivolamento più elevati, tipicamente trascurato in letteratura fino ad oggi, " ha aggiunto. "Abbiamo anche eseguito migliaia di calcoli, che ha mostrato quanto ampiamente variabile possa essere questa forza di dislocazione critica e quanto siano favorevoli modalità alternative di scorrimento superiori".

Lo studio fa parte di un più ampio sforzo collaborativo guidato da Pollock e finanziato dall'Office of Naval Research, denominato MPE.edu, che coinvolge anche i ricercatori dell'UCSB Carlos Levi e Anton van der Ven, mirava ad acquisire conoscenze fondamentali su come esplorare al meglio il vasto spazio delle leghe refrattarie.

"Mentre le leghe composizionalmente complesse sono state a lungo di nostro interesse, i progressi nell'esplorazione del grande spazio compositivo sono stati lenti, " ha detto Pollock. "Con il progetto MPE, abbiamo riunito un team che ha utilizzato l'elaborazione computazionale emergente, apprendimento automatico, e strumenti sperimentali, che ci hanno permesso di scoprire nuovi comportamenti ed esplorare rapidamente nuovi domini compositivi. Gli altissimi punti di fusione dei materiali refrattari di interesse ne hanno resi notoriamente difficili da fabbricare e studiare in passato, ma i nostri nuovi approcci, combinato con la possibilità di stampa 3D, cambiare completamente il panorama".

"Questo lavoro è emblematico del vero potere di combinare esperimenti con simulazione e teoria, " ha detto Gianola. "Molti ricercatori aderiscono a parole a questa sinergia, ma questo studio non sarebbe potuto andare così lontano senza il costante avanti e indietro tra i gruppi sperimentale e di simulazione. Il futuro sembra molto luminoso".