I materiali metallici utilizzati nell'ingegneria devono essere resistenti e duttili, in grado di sopportare carichi meccanici elevati mentre sono in grado di resistere alla deformazione senza rompersi. Se un materiale è debole o forte, duttile o fragile, tuttavia, non è determinato semplicemente dai grani di cristallo che compongono il materiale, ma piuttosto da ciò che accade nello spazio tra di loro noto come bordo del grano. Nonostante decenni di ricerche, i processi di deformazione a livello atomico al bordo del grano rimangono sfuggenti, insieme al segreto per creare materiali nuovi e migliori.

Utilizzando la microscopia avanzata unita a nuove simulazioni al computer che tracciano il movimento atomico, i ricercatori del Georgia Institute of Technology hanno condotto osservazioni in tempo reale a livello atomico della deformazione del bordo del grano in materiali metallici poligranati chiamati materiali policristallini. Il team ha osservato processi precedentemente non riconosciuti che influiscono sulle proprietà dei materiali, come gli atomi che saltano da un piano all'altro attraverso un bordo del grano. Il loro lavoro, pubblicato su Scienza questo marzo, spinge i limiti del sondaggio a livello atomico e consente una comprensione più profonda di come si deformano i materiali policristallini. Il loro lavoro apre nuove strade per la progettazione più intelligente di nuovi materiali per applicazioni ingegneristiche estreme.

"È sorprendente osservare i movimenti passo dopo passo degli atomi e quindi utilizzare queste informazioni per decifrare il processo di scorrimento dinamico di un confine di grano con una struttura complessa", ha affermato Ting Zhu, professore alla George W. Woodruff School of Mechanical Engineering e uno degli autori principali dello studio, che includeva collaboratori della Beijing University of Technology.

Per sviluppare nuovi e migliori materiali policristallini, è fondamentale capire come si deformano a livello atomico. Il team ha cercato di ottenere l'osservazione in tempo reale dello scorrimento del bordo del grano, una nota modalità di deformazione che svolge un ruolo importante nel governo della resistenza e della duttilità dei materiali policristallini. Hanno scelto di lavorare con il platino perché la sua struttura cristallina è la stessa di altri materiali policristallini ampiamente utilizzati come acciaio, rame e alluminio. Utilizzando il platino, i loro risultati e le loro informazioni sarebbero generalmente applicabili a un'ampia gamma di materiali.

Una combinazione di nuovi metodi

Diverse innovazioni chiave sono state necessarie per eseguire l'esperimento. Il team ha utilizzato un microscopio elettronico a trasmissione (TEM) per acquisire immagini altamente ingrandite di atomi ai bordi del grano. Il TEM invia un raggio di elettroni attraverso un campione di platino simile a una pellicola, elaborato dal team per essere abbastanza sottile per la trasmissione di elettroni. Hanno anche sviluppato un piccolo dispositivo di prova di dimensioni millimetriche che applica forza meccanica a un campione e viene apposto al microscopio. Il TEM e il dispositivo lavorano in tandem per creare immagini a livello atomico dei bordi dei grani durante la deformazione.

Per osservare lo scorrimento del confine del grano su scala atomica in modo più chiaro rispetto alla sola visualizzazione delle immagini TEM, i ricercatori hanno sviluppato un metodo di tracciamento atomico automatizzato. Questo metodo etichetta automaticamente ogni atomo in ogni immagine TEM e quindi li correla tra le immagini, consentendo il tracciamento di tutti gli atomi e il loro movimento durante lo scorrimento del bordo del grano. Infine, il team ha condotto simulazioni al computer dello scorrimento del bordo del grano utilizzando strutture atomiche estratte dalle immagini TEM. Lo scorrimento simulato ha aiutato il team ad analizzare e interpretare gli eventi accaduti su scala atomica. Combinando questi metodi, sono stati in grado di visualizzare in tempo reale come si muovono i singoli atomi in corrispondenza di un bordo di grano deformante.

Risultati

Sebbene fosse noto che i bordi dei grani scivolano durante la deformazione dei materiali policristallini, l'imaging e l'analisi in tempo reale di Zhu e del suo team hanno rivelato una ricca varietà di processi atomici, alcuni dei quali precedentemente sconosciuti.

Notarono che, durante la deformazione, due grani vicini scivolavano l'uno contro l'altro e causavano il trasferimento di atomi da un lato del piano di confine del grano all'altro. Questo processo, noto come trasferimento sul piano atomico, era precedentemente sconosciuto. Hanno anche osservato che i processi atomici locali possono accogliere efficacemente gli atomi trasferiti regolando le strutture di confine del grano, il che può essere utile per ottenere una maggiore duttilità. L'analisi delle immagini e le simulazioni al computer hanno mostrato che i carichi meccanici erano elevati durante i processi atomici e che ciò facilitava il trasferimento di atomi e piani atomici. Le loro scoperte suggeriscono che l'ingegneria dei bordi di grano dei policristalli a grana fine è una strategia importante per rendere i materiali più forti e più duttili.

Guardare avanti

La capacità dimostrata di Zhu e del suo team di osservare, tracciare e comprendere la deformazione del bordo del grano su scala atomica apre più opportunità di ricerca per studiare ulteriormente le interfacce e i meccanismi di guasto nei materiali policristallini. Una maggiore comprensione della deformazione a livello atomico può informare su come si sono evoluti i materiali durante l'ingegneria del bordo del grano, una necessità per creare combinazioni di resistenza e duttilità eccezionali.

"Stiamo ora estendendo il nostro approccio per visualizzare la deformazione su scala atomica a temperature e tassi di deformazione più elevati, alla ricerca di materiali migliori per applicazioni estreme", ha affermato Xiaodong Han, un altro autore principale dell'articolo e professore alla Beijing University of Technology.

Zhu ritiene che i risultati ricchi di dati delle loro osservazioni e imaging a livello atomico in tempo reale potrebbero essere integrati con l'apprendimento automatico per un'indagine più approfondita delle deformazioni dei materiali e ciò potrebbe accelerare la scoperta e lo sviluppo di materiali più velocemente di quanto si pensasse possibile in precedenza.

"Il nostro lavoro mostra l'importanza di utilizzare la microscopia ad altissima risoluzione per comprendere il comportamento dei materiali a livello atomico. Questo progresso consentirà ai ricercatori di adattare i materiali per proprietà ottimali utilizzando la progettazione atomica", ha affermato Zhu. + Esplora ulteriormente

Utilizzo della microscopia elettronica e del tracciamento automatico degli atomi per saperne di più sui bordi dei grani nei metalli durante la deformazione