Le strutture meccaniche sono solide quanto i materiali di cui sono fatte. Per decenni i ricercatori hanno studiato i materiali di queste strutture per vedere perché e come falliscono. Prima del catastrofico fallimento, ci sono singole crepe o dislocazioni che si formano, che sono segnali che una struttura potrebbe indebolirsi. Mentre i ricercatori hanno studiato le dislocazioni individuali in passato, un team dell'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign, l'Università del Tennessee, e l'Oak Ridge National Laboratory ha permesso di capire come le dislocazioni si organizzano e reagiscono su scala nanometrica.

"I metalli sono fatti di policristalli e i cristalli hanno atomi disposti in modo ordinato, " ha spiegato l'autore principale Jian-Mu Zuo, Ivan Racheff Professore di Scienza e Ingegneria dei Materiali e affiliato del Frederick Seitz Materials Research Lab dell'Illinois. "Poiché la forza viene applicata a questi metalli, il cristallo scivolerà e si muoverà l'uno contro l'altro. Una struttura come un ponte potrebbe avere molte dislocazioni, che può muoversi, ma la quantità di movimento è così piccola, non ha una conseguenza. Però, come migliaia o decine di migliaia di dislocazioni si aggrovigliano all'interno di un metallo, e producono stress locale. Questa organizzazione può portare a deformazioni improvvise, come una valanga di neve. È molto drammatico e molto più difficile da controllare".

Il gruppo, che include anche la fisica della materia condensata dell'Illinois Karin Dahmen, ha pubblicato i suoi risultati in Fisica delle comunicazioni . Il lavoro sperimentale è stato svolto dal Dr. Yang Hu, come parte della sua tesi di dottorato.

Fino a questo studio i ricercatori non riuscivano a dare un senso al meccanismo alla base della valanga di dislocazione all'interno di una struttura. Però, il team dell'Illinois ha scoperto che una serie di dislocazioni si accumulavano formando una diga per impedire il movimento. Dietro la diga ci sono dislocazioni aggrovigliate. Una volta che c'è abbastanza pressione, si forma una valanga che provoca il cedimento della diga e il movimento improvviso delle dislocazioni aggrovigliate, che indebolisce il metallo e può eventualmente portare a guasti catastrofici. Avendo una migliore comprensione di questo processo, questo studio promette di aiutare a sviluppare materiali ancora più resistenti in futuro e di prevedere meglio quando una struttura potrebbe essere in pericolo.

Per studiare le dislocazioni, che sembrano fili di soli 10-9 metri di larghezza, hanno seguito lo sviluppo delle valanghe di dislocazione nei nanopilastri compressi di una lega ad alta entropia (HEA). L'HEA ha la stessa struttura media del rame o dell'oro. Ma gli atomi sono disposti in modo tale da consentire ai ricercatori di eseguire misurazioni simultanee e di correlare il movimento di dislocazione con la risposta meccanica e individuare esattamente dove si verifica la valanga. Identificando le bande di dislocazione, i ricercatori sono in grado di osservare cosa succede prima, durante, e dopo la valanga.

"Le persone hanno capito come si muovono le dislocazioni individuali, ma fino a questo punto non hanno capito come si muovono improvvisamente insieme, " ha osservato Zuo. "La nostra innovazione consiste nell'utilizzare un nuovo materiale (l'HEA) per studiare un problema molto antico e sviluppare questa tecnica per farlo".

Poiché le dislocazioni in genere si strutturano a micron di distanza (si pensi alla rete di crepe in una lastra di ghiaccio dopo aver camminato su di essa), rende difficile individuare un singolo evento osservandoli all'interno di un microscopio che funziona solo con campioni sottili (all'interno di un microscopio elettronico a trasmissione, lo spessore del campione è tipicamente inferiore a un micron).

"In un metallo convenzionale, le dislocazioni sono troppo distanti rispetto a quello che possiamo vedere una volta, quindi scompaiono in superficie" ha spiegato Zuo. "Inoltre, un metallo deformato ha grappoli di dislocazioni, ma solo alcuni che sono effettivamente attivi. A causa di ciò, alcuni studiosi hanno commentato quando le persone osservano la deformazione successiva nel metallo, è come visitare un cimitero di dislocazioni".

Per assistere ad una singola valanga completa, Zuo e il suo team avevano bisogno di trovare un materiale in cui la dislocazione interagisse in una scala molto più piccola. L'HEA è un nuovo tipo di lega composta da cinque diversi elementi metallici (Al0.1CoCrFeNi). Poiché ogni atomo di metallo ha una dimensione diversa e il cristallo è distorto, rallenta la dislocazione permettendo di immagazzinare molte dislocazioni e una valanga all'interno di un volume relativamente piccolo.

I ricercatori dell'Illinois sono stati in grado di misurare la dislocazione attraverso una tecnica chiamata nanoindentazione. Prendono un pezzo di HEA e usano un raggio ionico per fabbricare un nanopilastro e applicare la forza al nanopilastro con una piccola punta di diamante piatta di un nanoindentatore.

"Questo materiale ci permette di osservare le dislocazioni su scala nanometrica (500 nanometri), " disse Zuo, spiegando il processo. "Abbiamo un laboratorio meccanico che applica una forza a un campione di prova all'interno di un microscopio elettronico. Quando viene applicato lo stress, il campione si deforma. Quando lo stress supera lo stress richiesto affinché la dislocazione si muova all'interno del nanopilastro, la dislocazione si moltiplicherà. Quando la dislocazione si muove e incontra una resistenza, rallentano e si aggrovigliano e formano una banda di dislocazione. Se pensi allo stress come al flusso d'acqua, poi la valanga di dislocazione è come una diga che si rompe e l'acqua si esaurisce improvvisamente. L'HEA rende possibile l'osservazione. "

I risultati del processo sono due misurazioni:prima una misurazione meccanica, che permette ai ricercatori di studiare quanta forza ci vuole per far muovere le dislocazioni e di quanta, e in secondo luogo, imaging elettronico per catturare il movimento di dislocazione in un video. Nessuno studio in precedenza è stato in grado di accoppiare l'imaging elettronico e la misurazione della forza meccanica per studiare le valanghe di dislocazione.

"Da precedenti studi cumulativi, sapevamo come si producono le dislocazioni e abbiamo potuto studiare cosa è rimasto indietro, " Zuo ha detto. "Questo studio fornisce una risposta critica a come interagiscono le dislocazioni".

Zuo aggiunge che questo tipo di misurazione può essere utilizzato per sviluppare teorie e modelli computazionali da utilizzare per prevedere come si comporteranno i materiali sotto determinate sollecitazioni.

"Questo è importante perché un guasto catastrofico inizia con questo tipo di deformazione improvvisa, " Zuo ha detto. "Saremo in grado di prevedere meglio l'azione prima che ci sia un fallimento catastrofico. Questo a sua volta dovrebbe portare allo sviluppo di materiali molto più resistenti".

Questo studio coincide con i forti sforzi del campus dell'Illinois per utilizzare HEA per reattori nucleari e applicazioni ad alta temperatura.

"Gli HEA sono stabili alle alte temperature e possono sopportare molti sforzi, " ha detto Zuo. "Se comprendiamo la struttura della dislocazione, aiuterà a sviluppare materiali per applicazioni molto impegnative."