I metallurgisti hanno tutti i modi per rendere più duro un pezzo di metallo. possono piegarlo, giralo, farlo scorrere tra due rulli o batterlo con un martello. Questi metodi funzionano rompendo la struttura dei grani del metallo, i microscopici domini cristallini che formano un grosso pezzo di metallo. I grani più piccoli rendono i metalli più duri.

Ora, un gruppo di ricercatori della Brown University ha trovato un modo per personalizzare le strutture dei grani metallici dal basso verso l'alto. In un articolo pubblicato sulla rivista chimica , i ricercatori mostrano un metodo per frantumare insieme i singoli nanocluster metallici per formare blocchi solidi su macroscala di metallo solido. I test meccanici dei metalli prodotti utilizzando la tecnica hanno mostrato che erano fino a quattro volte più duri delle strutture metalliche naturali.

"Il martellamento e altri metodi di indurimento sono tutti modi dall'alto verso il basso per alterare la struttura del grano, ed è molto difficile controllare la granulometria con cui si finisce, " disse Ou Chen, un assistente professore di chimica alla Brown e corrispondente autore della nuova ricerca. "Quello che abbiamo fatto è creare blocchi di nanoparticelle che si fondono insieme quando li schiacci. In questo modo possiamo avere granulometrie uniformi che possono essere regolate con precisione per proprietà migliorate".

Per questo studio, i ricercatori hanno realizzato "monete" su scala centimetrica usando nanoparticelle d'oro, d'argento, palladio e altri metalli. Articoli di queste dimensioni potrebbero essere utili per realizzare materiali di rivestimento ad alte prestazioni, elettrodi o generatori termoelettrici (dispositivi che convertono i flussi di calore in elettricità). Ma i ricercatori pensano che il processo potrebbe essere facilmente ampliato per realizzare rivestimenti in metallo super-duro o componenti industriali più grandi.

La chiave del processo, Chen dice, è il trattamento chimico dato ai mattoni delle nanoparticelle. Le nanoparticelle metalliche sono tipicamente ricoperte da molecole organiche chiamate ligandi, che generalmente impediscono la formazione di legami metallo-metallo tra le particelle. Chen e il suo team hanno trovato un modo per rimuovere chimicamente quei ligandi, permettendo ai grappoli di fondersi insieme con solo un po' di pressione.

Le monete metalliche realizzate con la tecnica erano sostanzialmente più dure del metallo standard, la ricerca ha mostrato. Le monete d'oro, Per esempio, erano da due a quattro volte più difficili del normale. Altre proprietà come la conduzione elettrica e la riflessione della luce erano praticamente identiche ai metalli standard, i ricercatori hanno scoperto.

Le proprietà ottiche delle monete d'oro erano affascinanti, Chen dice, poiché c'è stato un drammatico cambiamento di colore quando le nanoparticelle sono state compresse in metallo sfuso.

"A causa di quello che è noto come effetto plasmonico, le nanoparticelle d'oro sono in realtà di colore nero-violaceo, " Chen ha detto. "Ma quando abbiamo applicato la pressione, vediamo questi grappoli violacei trasformarsi improvvisamente in un colore dorato brillante. Questo è uno dei modi in cui sapevamo di aver effettivamente formato l'oro sfuso".

In teoria, Chen dice, la tecnica potrebbe essere utilizzata per realizzare qualsiasi tipo di metallo. Infatti, Chen e il suo team hanno dimostrato di poter creare una forma esotica di metallo nota come vetro metallico. I vetri metallici sono amorfi, il che significa che mancano della struttura cristallina che si ripete regolarmente dei metalli normali. Ciò dà origine a proprietà notevoli. I vetri metallici si modellano più facilmente rispetto ai metalli tradizionali, può essere molto più forte e più resistente alle crepe, e mostrano superconduttività a basse temperature.

"Produrre vetro metallico da un singolo componente è notoriamente difficile da realizzare, quindi la maggior parte dei vetri metallici sono leghe, " Ha detto Chen. "Ma siamo stati in grado di iniziare con nanoparticelle di palladio amorfo e utilizzare la nostra tecnica per realizzare un vetro metallico al palladio".

Chen dice di sperare che la tecnica possa un giorno essere ampiamente utilizzata per prodotti commerciali. Il trattamento chimico utilizzato sui nanocluster è abbastanza semplice, e le pressioni utilizzate per comprimerli insieme rientrano ampiamente nella gamma delle apparecchiature industriali standard. Chen ha brevettato la tecnica e spera di continuare a studiarla.

"Pensiamo che ci sia molto potenziale qui, sia per l'industria che per la comunità della ricerca scientifica, " disse Chen.