Le leghe, materiali come l’acciaio, realizzati combinando due o più elementi metallici, sono tra i pilastri della vita contemporanea. Sono essenziali per edifici, trasporti, elettrodomestici e strumenti, incluso, molto probabilmente, il dispositivo che stai utilizzando per leggere questa storia. Nell'applicare le leghe, gli ingegneri hanno dovuto affrontare un antico compromesso comune nella maggior parte dei materiali:le leghe dure tendono a essere fragili e a rompersi sotto sforzo, mentre quelle flessibili sotto sforzo tendono ad ammaccarsi facilmente.
Le possibilità di aggirare questo compromesso sono emerse circa 20 anni fa, quando i ricercatori hanno sviluppato per la prima volta leghe a media e alta entropia, materiali stabili che combinano durezza e flessibilità in un modo diverso dalle leghe convenzionali. (L'"entropia" nel nome indica quanto sia disordinata la miscela degli elementi nelle leghe.)
Ora, un gruppo di ricerca guidato dall’UCLA ha fornito una visione senza precedenti della struttura e delle caratteristiche delle leghe a media e alta entropia. Utilizzando una tecnica di imaging avanzata, il team ha mappato, per la prima volta in assoluto, le coordinate atomiche tridimensionali di tali leghe. In un altro primato scientifico per qualsiasi materiale, i ricercatori hanno correlato la miscela di elementi con difetti strutturali. Lo studio è stato pubblicato il 20 dicembre sulla rivista Nature .
"Le leghe a media e alta entropia erano state precedentemente riprese su scala atomica in proiezioni 2D, ma questo studio rappresenta la prima volta che il loro ordine atomico 3D è stato osservato direttamente", ha detto l'autore corrispondente Jianwei "John" Miao, professore di fisica presso l'UCLA College e membro del California NanoSystems Institute presso l'UCLA. "Abbiamo trovato una nuova manopola che può essere ruotata per aumentare la tenacità e la flessibilità delle leghe."
Le leghe a media entropia combinano tre o quattro metalli in quantità più o meno uguali; le leghe ad alta entropia ne combinano cinque o più allo stesso modo. Al contrario, le leghe convenzionali sono costituite principalmente da un metallo con altri mescolati in proporzioni inferiori. (L'acciaio inossidabile, ad esempio, può essere costituito per tre quarti o più da ferro.)
Per comprendere le scoperte degli scienziati, pensa a un fabbro che forgia una spada. Questo lavoro è guidato dal fatto controintuitivo che piccoli difetti strutturali in realtà rendono i metalli e le leghe più resistenti. Mentre il fabbro riscalda ripetutamente una barra di metallo morbida e flessibile fino a farla brillare e poi la raffredda nell'acqua, si accumulano difetti strutturali che contribuiscono a trasformare la barra in una spada inflessibile.
Miao e i suoi colleghi si sono concentrati su un tipo di difetto strutturale chiamato “doppio confine”, ritenuto un fattore chiave nella combinazione unica di tenacità e flessibilità delle leghe a media e alta entropia. Il gemellaggio avviene quando la tensione fa piegare diagonalmente una sezione di una matrice cristallina mentre gli atomi attorno ad essa rimangono nella loro configurazione originale, formando immagini speculari su entrambi i lati del confine.
I ricercatori hanno utilizzato una serie di metalli per produrre nanoparticelle, così piccole da poter essere misurate in miliardesimi di metro. Sei nanoparticelle di lega a media entropia combinavano nichel, palladio e platino. Quattro nanoparticelle di una lega ad alta entropia combinano cobalto, nichel, rutenio, rodio, palladio, argento, iridio e platino.
Il processo per creare queste leghe assomiglia a una versione estrema ed estremamente veloce del lavoro del fabbro. Gli scienziati hanno liquefatto il metallo a oltre 2.000° Fahrenheit per cinque centesimi di secondo, quindi lo hanno raffreddato in meno di un decimo del tempo. L'idea è quella di fissare la lega solida nella stessa variegata miscela di elementi di un liquido. Lungo il percorso, lo shock del processo ha indotto confini gemelli in sei delle 10 nanoparticelle; quattro di questi avevano ciascuno una coppia di gemelli.
L’identificazione dei difetti richiedeva una tecnica di imaging sviluppata dai ricercatori, chiamata tomografia elettronica atomica. La tecnica utilizza gli elettroni perché i dettagli a livello atomico sono molto più piccoli delle lunghezze d'onda della luce visibile. I dati risultanti possono essere mappati in 3D poiché vengono catturate più immagini mentre un campione viene ruotato. Mettere a punto la tomografia elettronica atomica per mappare le complesse miscele di metalli è stato un impegno scrupoloso.
"Il nostro obiettivo è trovare la verità nella natura e le nostre misurazioni devono essere quanto più accurate possibile", ha affermato Miao, che è anche vicedirettore dello STROBE National Science Foundation Science and Technology Center. "Abbiamo lavorato lentamente, spingendoci al limite per rendere ogni fase del processo quanto più perfetta possibile, quindi siamo passati alla fase successiva."
Gli scienziati hanno mappato ciascun atomo nelle nanoparticelle della lega a media entropia. Alcuni dei metalli nella lega ad alta entropia erano di dimensioni troppo simili perché la microscopia elettronica potesse differenziarli. Quindi la mappa di quelle nanoparticelle raggruppava gli atomi in tre categorie.
I ricercatori hanno osservato che quanto più gli atomi di diversi elementi (o diverse categorie di elementi) vengono mescolati, tanto più è probabile che la struttura della lega cambi in un modo che contribuisce ad abbinare tenacità e flessibilità. I risultati potrebbero informare la progettazione di leghe a media e alta entropia con maggiore durabilità e persino sbloccare potenziali proprietà attualmente invisibili nell'acciaio e in altre leghe convenzionali ingegnerizzando la miscela di determinati elementi.
"Il problema con lo studio dei materiali difettosi è che devi esaminare ogni singolo difetto separatamente per sapere veramente come influisce sugli atomi circostanti", ha affermato il coautore Peter Ercius, uno scienziato dello staff della Molecular Foundry del Lawrence Berkeley National Laboratory. "La tomografia elettronica atomica è l'unica tecnica con la risoluzione necessaria per farlo. È semplicemente sorprendente che possiamo vedere disposizioni atomiche confuse su questa scala all'interno di oggetti così piccoli."
Miao e i suoi colleghi stanno ora sviluppando un nuovo metodo di imaging che combina la microscopia elettronica atomica con una tecnica per identificare la composizione di un campione in base ai fotoni che emette, al fine di distinguere tra metalli con atomi di dimensioni simili.
Stanno inoltre sviluppando metodi per esaminare le leghe a media e alta entropia e per comprendere le relazioni fondamentali tra le loro strutture e proprietà.
Ulteriori informazioni: Jianwei Miao, Struttura atomica tridimensionale e ordine chimico locale di nanoleghe a media e alta entropia, Natura (2023). DOI:10.1038/s41586-023-06785-z. www.nature.com/articles/s41586-023-06785-z
Informazioni sul giornale: Natura
Fornito dal California NanoSystems Institute
