I ricercatori qui hanno fatto una scoperta nella scienza dei materiali che suona come qualcosa del vecchio cartone animato del sabato mattina Super Friends:hanno trovato un modo per disattivare i "nano gemelli" per migliorare le proprietà ad alta temperatura delle superleghe utilizzate nei motori a reazione.

Il progresso potrebbe accelerare lo sviluppo di motori a turbina potenti e rispettosi dell'ambiente di ogni tipo, compresi quelli utilizzati per il trasporto e la produzione di energia.

I "nano gemelli" in questione sono difetti microscopici che crescono all'interno delle leghe e le indeboliscono, permettendo loro di deformarsi sotto il calore e la pressione. Nel diario Comunicazioni sulla natura , gli ingegneri della Ohio State University descrivono come personalizzare la composizione di una lega e quindi esporla a calore e pressione elevati non solo può impedire la formazione di nano gemelli, può effettivamente rendere la lega più forte.

Nei test, la tecnica, che hanno soprannominato "rafforzamento della trasformazione di fase, " ha eliminato la formazione di nano gemelli e dimezzato la deformazione della lega.

Forte, le leghe resistenti al calore consentono ai motori a turbina di funzionare in modo pulito ed efficiente, ha spiegato Michael Mills, professore di scienza e ingegneria dei materiali e leader del progetto presso l'Ohio State. Quando un motore può funzionare a temperature molto elevate, consuma più a fondo il suo carburante e produce minori emissioni.

"Abbiamo scoperto che l'aumento delle concentrazioni di alcuni elementi nelle superleghe inibisce la formazione di gemelli di deformazione ad alta temperatura, migliorando così significativamente le capacità ad alta temperatura delle leghe, " ha detto Mills.

In questi giorni, le leghe più avanzate sono progettate al computer, praticamente atomo per atomo, e il team di Mills ha deciso di affrontare quello che ha definito un deficit nel "quantitativo, comprensione completa" di come questi materiali esotici a base di metalli si deformano sotto stress elevato.

I ricercatori hanno fatto la scoperta mentre stavano studiando la formazione di nano gemelli in due diverse superleghe commerciali. Hanno compresso campioni delle leghe con migliaia di libbre di pressione a circa 1, 400 gradi Fahrenheit, una temperatura paragonabile a quella di un motore a reazione in funzione, e in seguito ha esaminato le strutture cristalline delle leghe con microscopi elettronici e ha modellato il comportamento quantomeccanico degli atomi su un computer.

In entrambe le leghe, la temperatura e la pressione hanno causato lo sviluppo di nanofaglie gemelle all'interno dei cristalli di superlega. E, in entrambe le leghe, la composizione del materiale dentro e intorno alle faglie è cambiata, ma in modi diversi.

Attraverso una sequenza di salti su scala atomica, alcuni elementi, come gli atomi di nichel e alluminio, si sono diffusi lontano dalle faglie, mentre altri si diffondono nelle faglie. I ricercatori sono stati in grado di rilevare questi movimenti su piccola scala utilizzando i microscopi elettronici avanzati presso il Centro per la microscopia e l'analisi elettronica dello stato dell'Ohio (CEMAS), che offre una delle più grandi concentrazioni di strumenti di microscopia analitica a fascio di elettroni e ioni in qualsiasi istituzione nordamericana.

"Nella prima lega, che non era così forte ad alta temperatura, atomi di cobalto e cromo riempivano la faglia, " disse Timothy Smith, ex studente dell'Ohio State e autore principale dello studio. "Ciò ha indebolito l'area intorno alla faglia e le ha permesso di addensarsi e diventare un nano gemello".

Ma nella seconda lega, quella che non ha formato nano gemelli, gli elementi titanio, il tantalio e il niobio tendevano invece a diffondersi nelle faglie. Di conseguenza, una nuova e molto stabile fase di materiale formato proprio alle faglie. La nuova fase era così stabile da resistere alla formazione di nano gemelli.

La tendenza di particolari atomi a diffondersi nelle faglie nano gemelle dipende dalla composizione complessiva della lega, i ricercatori hanno scoperto. "Abbiamo scoperto che quando la quantità di titanio, tantalio, e il niobio nella lega è stato aumentato, diminuendo cobalto e cromo, potremmo effettivamente rafforzare la regione intorno alle faglie e impedire che la faglia si allarghi in un nano gemello, " ha detto Smith.

L'innovativa combinazione dei ricercatori di imaging a livello atomico e calcolo di fascia alta è una caratteristica unica della ricerca svolta al CEMAS, disse David McComb, coautore dello studio e direttore del CEMAS.

"Ricerche come questa illustrano perfettamente il potere di CEMAS di aiutare a guidare la scoperta di nuovi materiali e processi, " Ha aggiunto.

Il team sta continuando a studiare il rafforzamento della trasformazione di fase, per vedere se adattare le composizioni della lega in modi diversi potrebbe migliorare l'effetto.

Smith ha conseguito il dottorato eseguendo questo lavoro, ed è ora un ingegnere dei materiali di ricerca presso il Glenn Research Center della NASA. I coautori del documento includevano Robert Williams, vicedirettore di CEMAS; Wolfgang Windl, professore di scienza e ingegneria dei materiali; Hamish Fraser, Eminent Scholar dell'Ohio e professore di scienza e ingegneria dei materiali; e dottorandi Bryan Esser e Nikolas Antolin, tutto lo stato dell'Ohio; Anna Carlsson di FEI/Thermo Fisher Scientific; e Andrew Wessman di GE.