L'alta pressione potrebbe essere la chiave per realizzare miscele metalliche avanzate più leggere, più forte e più resistente al calore rispetto alle leghe convenzionali, suggerisce un nuovo studio dei ricercatori di Stanford.

Gli esseri umani hanno mescolato i metalli per creare leghe con proprietà uniche per migliaia di anni. Ma le leghe tradizionali sono tipicamente costituite da uno o due metalli dominanti con un pizzico di altri metalli o elementi aggiunti. Esempi classici includono l'aggiunta di stagno al rame per produrre bronzo, o carbonio al ferro per creare l'acciaio.

In contrasto, Le leghe "ad alta entropia" sono costituite da più metalli mescolati in quantità approssimativamente uguali. Il risultato sono leghe più resistenti e leggere, più resistenti al calore, corrosione e radiazioni, e che potrebbe anche possedere una meccanica unica, proprietà magnetiche o elettriche.

Nonostante il notevole interesse da parte degli scienziati dei materiali, le leghe ad alta entropia devono ancora fare il salto dal laboratorio ai prodotti reali. Uno dei motivi principali è che gli scienziati non hanno ancora capito come controllare con precisione la disposizione, o struttura di imballaggio, degli atomi costituenti. Il modo in cui sono disposti gli atomi di una lega può influenzare significativamente le sue proprietà, aiutando a determinare, Per esempio, se è rigido o duttile, forte o fragile.

"Alcune delle leghe più utili sono costituite da atomi di metallo disposti in una combinazione di strutture di imballaggio, " ha detto il primo autore dello studio Cameron Tracy, un ricercatore post-dottorato presso la Stanford's School of Earth, Scienze energetiche e ambientali e il Centro per la sicurezza e la cooperazione internazionale (CISAC).

Una nuova struttura

Ad oggi, gli scienziati sono stati in grado di ricreare solo due tipi di strutture di impaccamento con la maggior parte delle leghe ad alta entropia, chiamati cubici a corpo centrato e cubici a facce centrate. Un terzo, la struttura di imballaggio comune ha in gran parte eluso gli sforzi degli scienziati, fino ad ora.

Nel nuovo studio, pubblicato online sulla rivista Comunicazioni sulla natura , Tracy e i suoi colleghi riferiscono di aver creato con successo una lega ad alta entropia, fatta di metalli comuni e facilmente reperibili, con una cosiddetta struttura esagonale compatta (HCP).

"Negli ultimi anni sono state realizzate un numero limitato di leghe ad alta entropia con struttura HCP, ma contengono molti elementi esotici come metalli alcalini e metalli delle terre rare, " Ha detto Tracy. "Quello che siamo riusciti a fare è creare una lega HCP ad alta entropia da metalli comuni che sono tipicamente utilizzati nelle applicazioni ingegneristiche".

Il trucco, sembra, è alta pressione. Tracy e i suoi colleghi hanno utilizzato uno strumento chiamato cella a incudine di diamante per sottoporre piccoli campioni di una lega ad alta entropia a pressioni fino a 55 gigapascal, all'incirca la pressione che si potrebbe incontrare nel mantello terrestre. "L'unica volta in cui vedresti naturalmente quella pressione sulla superficie terrestre è durante un impatto davvero grande di un meteorite, " ha detto Tracy.

L'alta pressione sembra innescare una trasformazione nella lega ad alta entropia utilizzata dal team, che consisteva di manganese, cobalto, ferro da stiro, nichel e cromo. "Immagina gli atomi come uno strato di palline da ping pong su un tavolo, e poi aggiungendo più strati sopra. Ciò può formare una struttura di imballaggio cubica a facce centrate. Ma se sposti leggermente alcuni dei livelli rispetto al primo, otterresti una struttura esagonale compatta, " ha detto Tracy.

Gli scienziati hanno ipotizzato che il motivo per cui le leghe ad alta entropia non subiscono questo cambiamento in modo naturale è perché le forze magnetiche interagenti tra gli atomi di metallo impediscono che ciò accada. Ma l'alta pressione sembra interrompere le interazioni magnetiche.

"Quando si pressurizza un materiale, avvicini tutti gli atomi l'uno all'altro. spesso, quando comprimi qualcosa, diventa meno magnetico, " Disse Tracy. "Questo è ciò che sembra accadere qui:la compressione della lega ad alta entropia la rende non magnetica o quasi non magnetica, e una fase HCP è improvvisamente possibile."

Configurazione stabile

interessante, la lega mantiene una struttura HCP anche dopo la rimozione della pressione. "La maggior parte delle volte, quando togli la pressione, gli atomi tornano alla loro configurazione precedente. Ma questo non sta accadendo qui, e questo è davvero sorprendente, ", ha affermato la coautrice dello studio Wendy Mao, professore associato di scienze geologiche presso la Stanford's School of Earth, Scienze energetiche e ambientali.

Il team ha anche scoperto che aumentando lentamente la pressione, potrebbero aumentare la quantità di struttura esagonale a pacco chiuso nella loro lega. "Ciò suggerisce che è possibile personalizzare il materiale per darci esattamente le proprietà meccaniche che desideriamo per una particolare applicazione, " ha detto Tracy.

Per esempio, i motori a combustione e le centrali elettriche funzionano in modo più efficiente alle alte temperature, ma le leghe convenzionali tendono a non funzionare bene in condizioni estreme perché i loro atomi iniziano a muoversi e diventano più disordinati.

"Leghe ad alta entropia, però, possiedono già un alto grado di disordine a causa della loro natura altamente mescolata, " Disse Tracy. "Di conseguenza, hanno proprietà meccaniche che sono ottime alle basse temperature e rimangono ottime alle alte temperature."

Nel futuro, gli scienziati dei materiali potrebbero essere in grado di mettere a punto ulteriormente le proprietà delle leghe ad alta entropia mescolando insieme diversi metalli ed elementi. "C'è una parte enorme della tavola periodica e così tante permutazioni da esplorare, " disse Mao.