I ricercatori, guidati dalla professoressa di scienza dei materiali e ingegneria Julia Greer, hanno scoperto che aggiungendo un materiale secondario che si scioglie facilmente sulla superficie dei film sottili, potrebbero impedire la formazione e la propagazione delle crepe.
In un articolo pubblicato nel numero del 15 giugno di Nature Communications, Greer e i suoi colleghi descrivono come l'aggiunta di uno strato ultrasottile di gallio all'oro renda le superfici d'oro molto più resistenti alla frattura.
“Si tratta di controllare il cedimento dei materiali su scala più piccola”, ha affermato Greer, che è anche direttore del Laboratorio di ricerca sui materiali (MRL) dell’UC di San Diego. “Utilizziamo il comportamento di fusione del gallio per inibire la nucleazione delle crepe e, poiché è uno strato conforme, funziona in diverse geometrie e su una vasta gamma di dimensioni delle crepe”.
Nella maggior parte dei materiali tecnici, le crepe iniziano in corrispondenza dei difetti e si sviluppano sotto carico fino alla rottura del materiale. Secondo Greer, questo quadro convenzionale della frattura è incompleto. Lei suggerisce che le crepe si nucleano non solo da difetti su larga scala, ma anche da rugosità superficiale su scala più piccola.
"Tradizionalmente si pensa che la frattura avvenga su scala microscopica o su scala più ampia", ha affermato Greer. “Ma le crepe vengono create da processi su scala atomica. Stiamo tenendo conto di questi processi, che normalmente vengono ignorati”.
I ricercatori hanno testato la loro ipotesi utilizzando sottili pellicole d'oro depositate su un substrato di vetro. I film sono stati poi sottoposti a carico di trazione e il team ha osservato il comportamento alla frattura dei film utilizzando la microscopia elettronica.
Hanno scoperto che le pellicole d'oro con lo strato di gallio mostravano una resistenza alla frattura significativamente più elevata rispetto alle pellicole d'oro puro. Lo strato di gallio ha impedito la formazione di crepe, anche quando le pellicole d'oro erano sottoposte a carichi di trazione elevati.
I risultati del team suggeriscono che la resistenza alla frattura di un materiale può essere significativamente migliorata semplicemente aggiungendo uno strato di materiale che fonde a una temperatura inferiore rispetto al materiale stesso. Questo approccio potrebbe essere utilizzato per migliorare l’affidabilità e la durata di un’ampia gamma di materiali e strutture, dai componenti degli aerei ai dispositivi elettronici.
“Stiamo parlando di rivestimenti sottili – meno di un milionesimo di metro – ma hanno un profondo impatto sul comportamento delle fratture”, ha detto Greer. “Questa intuizione ha implicazioni per la produzione e la progettazione dei materiali”.
Oltre a Greer, il gruppo di ricerca comprendeva gli studenti laureati dell'MRL Xiaoyue Ma e Qiang Yu. La ricerca è stata sostenuta dalla National Science Foundation e dall’Air Force Office of Scientific Research.
L'industria aerospaziale attualmente utilizza rivetti per unire fogli di metallo nelle strutture degli aeromobili. Tuttavia, l'uso dei rivetti crea concentrazioni di stress che possono portare a crepe ed eventuali guasti. L'aggiunta di un sottile strato di gallio alle superfici di questi fogli potrebbe contribuire a inibire la formazione di crepe e migliorare la sicurezza e l'affidabilità complessive delle strutture degli aerei.
Anche i dispositivi elettronici sono soggetti a cracking, in particolare su scala nanometrica. L'uso di uno strato di gallio potrebbe aiutare a prevenire la formazione di crepe in questi dispositivi, migliorandone l'affidabilità e le prestazioni.
La scoperta di Greer e del suo team ha importanti implicazioni per l'industria aerospaziale ed elettronica, così come per altri settori che fanno affidamento su film sottili. Aggiungendo un materiale secondario che si scioglie facilmente sulla superficie dei film sottili, gli ingegneri possono migliorare significativamente la resistenza alla frattura e l'affidabilità di questi materiali.
