I ricercatori studieranno presto campioni di materiali sulla ISS. I materiali in questione sono leghe super dure e resistenti alla corrosione di palladio, nichel, rame e fosforo, note anche come vetri metallici. È coinvolta anche un'azienda high-tech di La Chaux-de-Fonds, che produce materiali per l'industria dell'orologeria.

Questi materiali hanno il colore dell'oro bianco, ma sono duri come il vetro di quarzo e allo stesso tempo mostrano un'elevata elasticità. La loro superficie liscia è priva di strutture cristalline che rendono i materiali resistenti ai sali o agli acidi. I singoli pezzi, ad esempio per impianti medici, possono essere prodotti utilizzando la stampa 3D, mentre serie più grandi, ad esempio per casse di orologi, vengono prodotte utilizzando lo stampaggio a iniezione. Questo è più o meno come viene descritto il materiale dei loro sogni dagli scienziati che stanno attualmente ricercando. Stanno parlando di vetro metallico sfuso.

All'Empa, Antonia Neels, capo del Centro per l'analisi dei raggi X dell'Empa, lavora su questi misteriosi materiali da circa 15 anni. Il suo team studia la struttura interna del vetro metallico utilizzando vari metodi a raggi X, scoprendo così correlazioni con proprietà come deformabilità o comportamento alla frattura. Anche per i professionisti della scienza dei materiali, i vetri metallici sono difficili da decifrare:"Più osserviamo da vicino i campioni, più domande sorgono", afferma Antonia Neels. Ciò stimola ancora di più l'ambizione dei ricercatori.

Insieme nello spazio

Tra qualche mese verrà studiato un campione di vetro metallico nella microgravità della Stazione Spaziale Internazionale (ISS). Un gruppo di ricercatori con la partecipazione dell'Empa ha preparato i campioni e li ha registrati presso l'Agenzia Spaziale Europea ESA per il volo spaziale. La lega speciale è fornita dalla società del gruppo PX di La Chaux-de-Fonds, che produce materiali per l'industria dell'orologeria e della tecnologia dentale. Il team comprende anche i ricercatori Markus Mohr e Hans-Jörg Fecht dell'Istituto di nanosistemi funzionali dell'Università di Ulm e Roland Logé del Laboratorio di metallurgia termomeccanica dell'EPFL di Neuchâtel.

La produzione del vetro metallico non è del tutto semplice:rispetto al vetro per finestre, le leghe metalliche appositamente selezionate devono essere raffreddate fino a cento volte più velocemente in modo che gli atomi di metallo non formino strutture cristalline Solo quando la massa fusa solidifica estremamente rapidamente è in grado di formare un bicchiere. Nell'industria, sottili lastre di vetro metallico vengono prodotte premendo la massa fusa tra tamburi di rame in rapida rotazione. I ricercatori a volte colano i loro campioni in stampi fatti di rame solido, che dissipa il calore particolarmente bene. Ma con questi metodi non è possibile realizzare pezzi più grandi e solidi in vetro metallico.

La stampa 3D aiuta

Una possibile via d'uscita dal dilemma è la stampa 3D utilizzando un processo noto come processo a letto di polvere. Una polvere fine della lega desiderata viene riscaldata per alcuni millisecondi con un laser. I grani di metallo si fondono con i loro vicini per formare una specie di lamina. Quindi viene posizionato uno strato sottile di polvere sopra, il laser fonde la polvere appena applicata con la lamina sottostante, creando così gradualmente un pezzo tridimensionale da molti grani di polvere riscaldati brevemente.

Questo metodo richiede un dosaggio fine dell'impulso laser. Se il laser brucia troppo debolmente sulla polvere, le particelle non si fondono insieme e il pezzo rimane poroso. Se il laser brucia troppo forte, fonde di nuovo anche gli strati inferiori. La fusione multipla consente agli atomi di riorganizzarsi, formando cristalli, e questa è la fine del vetro metallico.

Metodi a raggi X e loro straordinaria diversità

Al Center for X-ray Analytics dell'Empa, il team di Antonia Neels ha già analizzato diversi campioni di questo tipo da esperimenti di stampa 3D. Nel frattempo, i risultati sollevano sempre nuove domande. "Alcune prove suggeriscono che le proprietà meccaniche dei vetri non si deteriorano, ma al contrario migliorano effettivamente, se il campione contiene piccole frazioni cristalline", afferma Neels. "Ora stiamo esaminando la questione di quanto deve essere grande questa frazione cristallina nel vetro e che tipo di cristalli devono formarsi per aumentare, ad esempio, la flessibilità o la resistenza all'urto del vetro a temperatura ambiente."

Per monitorare la crescita dei cristalli in un ambiente altrimenti amorfo, gli esperti dell'Empa utilizzano una varietà di metodi a raggi X. "Con radiazioni di diverse lunghezze d'onda, possiamo conoscere la struttura delle porzioni cristalline, ma anche determinare fenomeni di ordine ravvicinato degli atomi nel campione, in altre parole, determinare le proprietà dei legami chimici", spiega Neels. Inoltre, l'analisi di imaging a raggi X, nota come micro-CT, rivela dettagli sulle fluttuazioni di densità nel campione. Ciò indica la segregazione di fase e la formazione di cristalli. Tuttavia, le differenze di densità tra le regioni vetrose e cristalline sono estremamente piccole. È quindi necessaria una dettagliata elaborazione delle immagini per visualizzare la distribuzione tridimensionale delle porzioni cristalline.

Volo parabolico in Airbus

Ma i campioni di materiale della stampante laser 3D da soli non possono risolvere completamente il puzzle degli occhiali metallici. "Dobbiamo sapere a quali temperature si formano questi cristalli e come crescono, al fine di utilizzarli per definire processi di produzione stabili", spiega Neels, specialista in raggi X. Informazioni importanti sono fornite dai parametri termofisici del fuso, come la viscosità e la tensione superficiale. Gli esperimenti sulla ISS offrono le condizioni ideali per queste analisi. Gli esperimenti preliminari si svolgono in voli parabolici.

Già nel 2019 le prime goccioline di vetro metallico hanno galleggiato in via sperimentale. Un Airbus A310 appositamente convertito della società Novespace ha effettuato un volo a gravità zero con un campione di materiale. A bordo c'erano scienziati di Ulm e una piccola goccia di vetro metallico della società del Gruppo PX a La Chaux-de-Fonds. Il vetro metallico che il gruppo di ricerca sta studiando è costituito da palladio, rame, nichel e fosforo. Nell'esperimento chiamato TEMPUS (elaborazione elettromagnetica senza crogiolo a gravità zero), la goccia di vetro è stata tenuta in sospensione per mezzo di un campo magnetico e riscaldata fino a 1500 gradi Celsius per induzione. Durante la fase di raffreddamento, due brevi impulsi di corrente di induzione hanno fatto oscillare la gocciolina incandescente. Una telecamera ha registrato l'esperimento. Dopo l'atterraggio, il campione di materiale è stato analizzato presso il Centro di analisi dei raggi X dell'Empa.

Perché la ISS offre più risultati

L'analisi del video del volo parabolico consente di trarre conclusioni sulla viscosità e la tensione superficiale della goccia, dati importanti per controllare meglio la produzione di vetri metallici con proprietà specifiche. Ma il tempo di microgravità durante il volo dura solo 20 secondi, troppo poco per un'analisi dettagliata. Questo può essere fatto solo sulla ISS.

Così ora un campione dello stesso materiale è stato registrato per un volo nel modulo europeo COLUMBUS della ISS. La fornace a levitazione elettromagnetica ISS-EML è stata installata lì dal 2014. In ogni caso, 18 campioni di materiale volano lungo, vengono scambiati automaticamente e possono essere osservati dai ricercatori sulla Terra tramite flusso video. Il vetro metallico dalla Svizzera andrà nello spazio con il prossimo lotto di campioni.

Nuovi processi di colata

I ricercatori hanno in programma di generare una simulazione al computer della fusione dai dati molto più dettagliati ottenuti durante il volo spaziale. Questo riunirà tutte le risposte in un unico modello attraverso una combinazione di esperimenti sulla Terra e nello spazio:a quale temperatura c'è quale viscosità e tensione superficiale? Quando si formano i cristalli di quale composizione, dimensione e orientamento? In che modo questa struttura del materiale interno influenza le proprietà del vetro metallico? Da tutti questi parametri, i ricercatori vogliono sviluppare un metodo di produzione insieme al partner industriale PX Group, per poter produrre il materiale ambito in una forma definita. Quindi c'è ancora molto da fare per i ricercatori sui materiali nei prossimi anni. + Esplora ulteriormente

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