Dai fabbri che forgiano il ferro agli artigiani che soffiano il vetro, Gli esseri umani hanno cambiato per secoli le proprietà dei materiali per costruire strumenti migliori, da ferri di cavallo e spade di ferro a barattoli di vetro e fiale di medicinali.

Nella vita moderna, vengono creati nuovi materiali per migliorare gli articoli di oggi, come l'acciaio più resistente per i grattacieli e semiconduttori più affidabili per i telefoni cellulari.

Ora, i ricercatori dell'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia (DOE) hanno scoperto un nuovo approccio per dettagliare la formazione di questi cambiamenti materiali su scala atomica e in tempo quasi reale, un passo importante che potrebbe aiutare a progettare nuovi materiali migliori e più resistenti.

In uno studio pubblicato il 16 gennaio in Materiali della natura , ricercatori della Advanced Photon Source di Argonne, una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE, rivelano di aver catturato – per la prima volta in assoluto – immagini della creazione di difetti strutturali nel palladio quando il metallo è esposto all'idrogeno.

Questa capacità di imaging aiuterà i ricercatori a convalidare modelli che prevedono il comportamento dei materiali e il modo in cui formano i difetti. L'ingegneria dei difetti è la pratica di creare intenzionalmente difetti all'interno di un materiale al fine di modificarne le proprietà. Questa conoscenza è la chiave per un'ingegneria migliore, materiali più resistenti e affidabili per gli edifici, semiconduttori, batterie, dispositivi tecnologici e molti altri oggetti e strumenti.

"L'ingegneria dei difetti si basa sull'idea che puoi prendere qualcosa di cui conosci già le proprietà e, inserendo difetti o imperfezioni, progettare cose con proprietà migliorate, " ha detto lo studioso di Argonne Andrew Ulvestad, uno degli autori dello studio. "La pratica si applica non solo ai metalli ma a qualsiasi materiale che abbia una struttura cristallina, come quelli che si trovano nelle celle solari e nei catodi delle batterie".

L'ingegneria dei difetti viene utilizzata per ottimizzare la progettazione dei materiali in una varietà di campi, ma è più comunemente associato allo sviluppo dei semiconduttori. Materiali semiconduttori, come il silicio, sono utilizzati come componenti elettrici; costituiscono la base per la maggior parte della nostra elettronica moderna, compresi laptop e telefoni cellulari.

In un processo noto come "doping, " I produttori creano difetti in questi materiali aggiungendo impurità al fine di manipolare le loro proprietà elettriche per vari usi tecnologici.

Mentre i produttori sanno che possono modificare le proprietà di vari materiali per ottenere gli attributi che desiderano, i processi che governano questi cambiamenti non sono sempre chiari.

Per aumentare la comprensione di tali processi, I ricercatori di Argonne si sono concentrati specificamente sui difetti che si formano su scala nanometrica. Difetti, interfacce e fluttuazioni a questo livello molto piccolo possono fornire informazioni critiche sulle funzionalità dei materiali, come la loro termica, proprietà elettroniche e meccaniche, su scala più ampia.

Per catturare la formazione di difetti, il team di Argonne ha prelevato un campione nanostrutturato di palladio e ha iniettato, o infuso, esso con idrogeno ad alta pressione. Allo stesso tempo, hanno esposto il campione a potenti raggi X all'Advanced Photon Source.

Dopo aver colpito il cristallo di palladio, i raggi X sparsi, e il loro schema di dispersione è stato catturato da un rivelatore e utilizzato per calcolare i cambiamenti nella posizione degli atomi all'interno della struttura del palladio. Essenzialmente, questo processo ha permesso ai ricercatori di "vedere" le deformazioni all'interno del materiale.

"In alcuni modi, abbiamo la possibilità di uno su un milione, perché i difetti che si verificano all'interno del cristallo non sempre si verificano a causa della natura complessa del processo, " ha detto il fisico di Argonne Ross Harder, un altro autore dello studio.

I cambiamenti mostrati nelle scansioni esemplificano i numerosi modi in cui i difetti possono alterare le proprietà dei materiali e come rispondono agli stimoli esterni. Ad esempio, i difetti che si formavano alteravano le pressioni alle quali il palladio poteva immagazzinare e rilasciare idrogeno, conoscenze che potrebbero essere utili per lo stoccaggio dell'idrogeno, applicazioni di rilevamento e purificazione, hanno detto i ricercatori.

Gli approcci di ingegneria dei difetti sono già utilizzati per studiare altri sistemi, comprese le nanoparticelle del catodo della batteria. Però, lo studio condotto da Ulvestad e Harder è il primo a catturare la formazione dei difetti mentre si verificano.

"Quello che abbiamo fatto è creare una tabella di marcia per altri ricercatori. Abbiamo mostrato loro un modo per modellare questo sistema e sistemi che hanno dinamiche simili, " ha detto Ulvestad.