Una lega è tipicamente un metallo a cui viene aggiunta una piccola percentuale di almeno un altro elemento. Alcune leghe di alluminio hanno una proprietà apparentemente strana.

"Sappiamo che le leghe di alluminio possono diventare più forti se conservate a temperatura ambiente, non è una nuova informazione, "dice Adrian Lervik, un fisico presso l'Università norvegese di scienza e tecnologia (NTNU).

Il metallurgista tedesco Alfred Wilm scoprì questa proprietà nel lontano 1906. Ma perché succede? Finora il fenomeno è stato poco compreso, ma ora Lervik e i suoi colleghi di NTNU e SINTEF, il più grande istituto di ricerca indipendente in Scandinavia, hanno affrontato questa domanda.

Lervik ha recentemente completato il suo dottorato presso il Dipartimento di Fisica della NTNU. Il suo lavoro spiega una parte importante di questo mistero. Ma prima un po' di background, perché Lervik ha scavato anche nella preistoria.

"Alla fine del 1800, Wilm ha lavorato per cercare di aumentare la resistenza dell'alluminio, un metallo leggero che era recentemente diventato disponibile. Ha fuso e fuso una serie di leghe diverse e ha testato varie velocità di raffreddamento comuni nella produzione di acciaio al fine di ottenere la migliore resistenza possibile, "dice Lervik.

Un fine settimana, quando il tempo era buono, Wilm decise di prendersi una pausa dai suoi esperimenti e di prendere invece un fine settimana anticipato per navigare lungo il fiume Havel.

"Lunedì è tornato in laboratorio e ha continuato a eseguire prove di trazione su una lega costituita da alluminio, rame e magnesio che aveva iniziato la settimana prima. Ha scoperto che la resistenza della lega era aumentata considerevolmente durante il fine settimana.

Questa lega era semplicemente rimasta a temperatura ambiente durante quel periodo. Il tempo aveva svolto il lavoro che nessun altro metodo di raffreddamento poteva fare.

Oggi questo fenomeno è chiamato invecchiamento naturale.

Il metallurgista americano Paul Merica suggerì nel 1919 che il fenomeno doveva essere dovuto a piccole particelle dei vari elementi che formano una sorta di precipitazione nella lega. Ma a quel tempo non c'erano metodi sperimentali che potessero dimostrarlo.

"Solo verso la fine degli anni '30 il metodo della diffrazione dei raggi X poteva dimostrare che gli elementi di lega si accumulavano in piccoli ammassi su scala nanometrica, "dice Lervik.

L'alluminio puro è costituito da molti cristalli. Un cristallo può essere visto come un blocco di fogli di griglia, dove un atomo si trova in ogni quadrato della griglia. La forza si misura nella resistenza delle lastre a scivolare l'una sull'altra.

In una lega, una piccola percentuale dei quadrati è occupata da altri elementi, rendendo un po' più difficile lo scorrimento dei fogli l'uno sull'altro e risultando in una maggiore resistenza.

Come spiega Lervik, "Un aggregato è come una piccola goccia di vernice nel blocco della griglia. Gli elementi di lega si accumulano e occupano alcune decine di quadrati vicini che si estendono su più fogli. Insieme all'alluminio, formano uno schema. Queste gocce hanno una struttura atomica diversa rispetto all'alluminio e rendono più difficile lo scorrimento della dislocazione per i fogli nel blocco della griglia".

Gli aggregati di elementi di lega sono noti come "cluster. In linguaggio tecnico sono chiamati zone Guinier-Preston (GP) dopo i due scienziati che li hanno descritti per primi. Negli anni '60, è diventato possibile vedere le zone GP attraverso un microscopio elettronico per la prima volta, ma ci sono voluti fino ad ora per vederli a livello di singolo atomo.

"Negli ultimi anni, numerosi scienziati hanno esplorato la composizione degli aggregati, ma è stato fatto poco lavoro per comprendere la loro struttura nucleare. Anziché, molti studi si sono concentrati sull'ottimizzazione delle leghe sperimentando l'invecchiamento a diverse temperature e per diverse durate di tempo, "dice Lervik.

L'invecchiamento e la creazione di miscele metalliche resistenti sono chiaramente molto importanti in un contesto industriale. Ma pochissimi ricercatori e persone del settore si sono preoccupati molto di cosa consistono effettivamente i cluster. Erano semplicemente troppo piccoli per essere dimostrati.

Lervik e i suoi colleghi la pensavano diversamente.

"Con i nostri moderni metodi sperimentali, siamo riusciti a fotografare a livello atomico gli ammassi con il microscopio elettronico a trasmissione a Trondheim per la prima volta nel 2018, "dice Lervik.

"Lui e il suo team hanno studiato le leghe di alluminio, zinco e magnesio. Questi stanno diventando sempre più importanti nell'industria automobilistica e aerospaziale".

Il team di ricerca ha anche determinato la composizione chimica dei cluster utilizzando lo strumento per la tomografia a sonda atomica che è stato recentemente installato presso l'NTNU. Il programma infrastrutturale del Consiglio di ricerca norvegese ha reso possibile questa scoperta. Questo investimento ha già contribuito a nuove intuizioni fondamentali sui metalli.

I ricercatori hanno studiato leghe di alluminio, zinco e magnesio, note come leghe di Al serie 7xxx. Queste leghe di metalli leggeri stanno diventando sempre più importanti nell'industria automobilistica e aerospaziale.

"Abbiamo trovato ammassi con un raggio di 1,9 nanometri sepolti nell'alluminio. Sebbene numerosi, sono difficili da osservare al microscopio. Siamo riusciti a identificare la struttura atomica solo in speciali condizioni sperimentali, "dice Lervik.

Questo è uno dei motivi per cui nessuno l'ha fatto prima. L'esecuzione degli esperimenti è complicata e richiede attrezzature sperimentali moderne e avanzate.

"Abbiamo sperimentato più volte quanto fosse complicato. Anche se siamo riusciti a scattare una foto dei cluster e abbiamo potuto estrarre alcune informazioni sulla loro composizione, ci sono voluti diversi anni prima che capissimo abbastanza da essere in grado di descrivere la struttura nucleare, "dice Lervik.

Quindi cosa rende esattamente questo lavoro così speciale? Nel passato, le persone hanno ipotizzato che gli aggregati siano costituiti da elementi di lega, alluminio e forse posti vacanti (quadrati vuoti) disposti più o meno casualmente.

"Abbiamo scoperto che possiamo descrivere tutti gli ammassi che abbiamo osservato sulla base di una figura spaziale geometrica unica chiamata "ottaedro cubo troncato", '", dice Lervik.

Proprio qui chiunque non abbia un background in fisica o chimica potrebbe voler scorrere le sezioni successive o saltare direttamente al titolo centrale "Importante per comprendere il trattamento termico".

Per comprendere l'illustrazione sopra, dobbiamo prima accettare che un cristallo di alluminio (blocco quadrato) possa essere visualizzato come una pila di cubi, ciascuno con atomi sugli 8 angoli e 6 lati.

Questa struttura è un reticolo cubico atomico centrato sul lato. La figura geometrica è come un cubo, con un guscio esterno formato dai cubi circostanti. Lo descriviamo come tre gusci attorno al cubo centrale:uno per i lati, uno per gli angoli e il guscio più esterno. Questi gusci sono costituiti da 6 zinco, 8 atomi di magnesio e 24 di zinco, rispettivamente.

Il centro del corpo (cubo) può contenere un atomo in più - un "interstiziale" - che in questa illustrazione può essere descritto come situato tra gli spazi (quadrati) di alluminio.

Questa singola figura spiega ulteriormente tutte le unità cluster più grandi per la loro capacità di connettersi ed espandersi in tre direzioni definite. L'immagine spiega anche osservazioni precedentemente riportate da altri. Queste unità a grappolo contribuiscono ad aumentare la resistenza durante l'invecchiamento.

Importante per comprendere il trattamento termico

"Perché è bello? È bello perché l'invecchiamento naturale di solito non è l'ultimo passaggio nella lavorazione di una lega prima che sia pronta per essere utilizzata, "dice Lervik.

Queste leghe subiscono anche un trattamento termico finale a temperature più elevate (130-200°C) per formare precipitati più grandi con strutture cristalline definite. Legano i piani atomici (fogli) ancora più strettamente insieme e lo rafforzano considerevolmente.

"Riteniamo che la comprensione della struttura atomica degli ammassi formati dall'invecchiamento naturale sia essenziale per comprendere ulteriormente il processo di formazione dei precipitati che determinano così tante proprietà del materiale. I precipitati si formano sugli ammassi o gli ammassi si trasformano in precipitati durante trattamento termico? Come può essere ottimizzato e utilizzato? Il nostro ulteriore lavoro cercherà di rispondere a queste domande, "dice Lervik.