Un modello di 70 anni utilizzato per prevedere la microstruttura dei materiali non funziona per i materiali di oggi, dicono i ricercatori della Carnegie Mellon University in Scienza . Una tecnica di microscopia sviluppata da Carnegie Mellon e dall'Argonne National Laboratory fornisce prove che contraddicono il modello convenzionale e indica la strada verso l'uso di nuovi tipi di caratterizzazioni per prevedere le proprietà, e quindi la sicurezza e la durata a lungo termine, dei nuovi materiali.

Se un metallurgista scoprisse una lega che potrebbe migliorare drasticamente le prestazioni di un aereo, potrebbero volerci anche vent'anni prima che un passeggero possa salire a bordo di un aereo fatto di quella lega. Senza alcun modo per prevedere come cambierà un materiale quando sarà sottoposto ai fattori di stress della lavorazione o dell'uso quotidiano, i ricercatori utilizzano prove ed errori per stabilire la sicurezza e la durata di un materiale. Questo lungo processo è un collo di bottiglia significativo per l'innovazione dei materiali.

I professori Gregory Rohrer e Robert Suter del Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali e del Dipartimento di Fisica della Carnegie Mellon University hanno scoperto nuove informazioni che aiuteranno gli scienziati dei materiali a prevedere come le proprietà dei materiali cambiano in risposta a fattori di stress come le temperature elevate. Utilizzando la microscopia a diffrazione ad alta energia in campo vicino (HEDM), hanno scoperto che il modello stabilito per prevedere la microstruttura e le proprietà di un materiale non si applica ai materiali policristallini ed è necessario un nuovo modello.

all'occhio, metalli più comunemente usati, le leghe e le ceramiche utilizzate nelle apparecchiature e nei prodotti industriali e di consumo sembrano essere uniformemente solide. Ma a livello microscopico, sono policristallini, costituito da aggregati di grani di diversa grandezza, forme e orientamenti dei cristalli. I grani sono legati insieme da una rete di bordi dei grani che si spostano quando esposti a fattori di stress, modificando le proprietà del materiale.

Quando creano un nuovo materiale, gli scienziati devono controllare la sua microstruttura, che include i suoi bordi di grano. Gli scienziati dei materiali manipolano la densità dei bordi dei grani per soddisfare esigenze diverse. Per esempio, la struttura che circonda l'abitacolo di un'auto è realizzata in acciaio ad altissima resistenza che contiene più bordi di grano rispetto ai pannelli estetici della carrozzeria nella zona di deformazione anteriore dell'auto.

Negli ultimi 70 anni, i ricercatori hanno previsto il comportamento dei materiali utilizzando una teoria che afferma che la velocità con cui i bordi dei grani si muovono attraverso un materiale riscaldato è correlata alla forma del confine. Rohrer e Suter hanno dimostrato che questa teoria, formulato per descrivere il caso più ideale, non si applica ai veri policristalli.

I policristalli sono più complicati dei casi ideali studiati in passato. Rohrer ha spiegato, "Se si considera un singolo confine di grano in un cristallo, può muoversi senza interruzioni, come un'auto che percorre una strada deserta. Nei policristalli ogni bordo di grano è connesso a, in media, altri dieci, quindi è come se l'auto fosse in mezzo al traffico:non può più muoversi così liberamente. Perciò, questo modello non regge più." Inoltre, Rohrer e Suter hanno scoperto che spesso i bordi dei grani di policristallo non si muovevano nemmeno nella direzione prevista dal modello.

HEDM, una tecnica che è stata sperimentata da Suter e colleghi utilizzando Advanced Photon Source (APS) dell'Argonne National Laboratory, è stata la chiave di queste scoperte. L'HEDM e le tecniche associate consentono ai ricercatori di visualizzare in modo non distruttivo migliaia di cristalli e misurare i loro orientamenti all'interno di metalli opachi e ceramiche. La tecnica richiede raggi X ad alta energia disponibili solo in una delle poche sorgenti di sincrotrone in tutto il mondo.

"È come avere una visione a raggi X 3D, " disse Suter. "Prima, non potevi guardare i grani di un materiale senza tagliarlo a pezzi. HEDM ci consente di visualizzare in modo non invasivo gli orientamenti e i confini dei grani mentre si evolvono nel tempo."

Lo sviluppo di HEDM è iniziato circa 20 anni fa e continua ancora oggi. Il gruppo di Suter ha lavorato con gli scienziati dell'APS per sviluppare procedure per la raccolta sincronizzata di migliaia di immagini di modelli di diffrazione dei raggi X da un campione di materiale mentre subisce una rotazione di precisione in un intenso fascio incidente. I codici informatici ad alte prestazioni sviluppati dal gruppo di ricerca di Suter convertono gli insiemi di immagini in mappe tridimensionali dei grani cristallini che compongono la microstruttura del materiale.

Dieci anni fa, Il gruppo di Suter (compresi gli studenti laureati in Fisica Chris Hefferan, Shiu-Fai Li, e Jon Lind) hanno misurato ripetutamente un campione di nichel dopo successivi trattamenti ad alta temperatura che hanno portato alle prime osservazioni dei singoli movimenti di confine dei grani. Questi movimenti non sono riusciti a mostrare il comportamento sistematico previsto dalla teoria di 70 anni fa. Il punto di vista sviluppato dai ricercatori della Carnegie Mellon nel documento Science mette in correlazione la struttura dei bordi dei grani con i comportamenti sistematici osservati nei dati sperimentali HEDM.

Mentre l'analisi attuale si basa su un singolo materiale, nichel, La microscopia a diffrazione dei raggi X viene utilizzata su molti materiali e Rohrer e Suter ritengono che molti di questi materiali dimostreranno un comportamento simile a quello osservato nel nichel. Sono allo studio anche applicazioni simili ad altre condizioni di lavorazione dei materiali.

Questa ricerca è stata finanziata dal programma Designing Materials to Revolutionize and Engineer the Future (DRMEF) della National Science Foundation. La sovvenzione quadriennale del team è stata rinnovata per $ 1,8 milioni di dollari a partire dal 1 ottobre, 2021. Kaushik Dayal di Carnegie Mellon, Dipartimento di Ingegneria Civile e Ambientale, Elisabetta Holm, Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali, e David Kinderlehrer, Il Dipartimento di Scienze Matematiche sarà coinvolto anche nelle prossime fasi della ricerca studiando come e perché i policristalli si comportano in questo modo nei diversi materiali. Professori Carl Krill (Università di Ulm, Germania) e Amanda Krause (Università della Florida) fanno parte della collaborazione.