Quando minuscole particelle colpiscono una superficie metallica ad alta velocità, ad esempio, come rivestimenti spruzzati o come micrometeoriti che colpiscono una stazione spaziale:il momento dell'impatto avviene così velocemente che i dettagli del processo non sono stati compresi chiaramente, fino ad ora.

Un team di ricercatori del MIT ha appena realizzato la prima rappresentazione dettagliata ad alta velocità e analisi del processo di impatto delle microparticelle, e ha usato quei dati per prevedere quando le particelle rimbalzeranno via, bastone, o staccare il materiale dalla superficie e indebolirlo. Le nuove scoperte sono descritte in un articolo apparso oggi sulla rivista Comunicazioni sulla natura .

Mostafa Hassani-Gangaraj, un postdoc del MIT e l'autore principale del documento, spiega che gli impatti delle microparticelle ad alta velocità sono utilizzati per molti scopi nell'industria, Per esempio, per l'applicazione di rivestimenti, pulire le superfici, e materiali da taglio. Vengono applicati in una sorta di versione superpotente della sabbiatura che spinge le particelle a velocità supersoniche. Tale sabbiatura con microparticelle può essere utilizzata anche per rinforzare superfici metalliche. Ma fino ad ora questi processi sono stati controllati senza una solida comprensione della fisica sottostante del processo.

"Ci sono molti fenomeni diversi che possono verificarsi" al momento dell'impatto, Hassani-Gangaraj dice, ma ora per la prima volta i ricercatori hanno scoperto che un breve periodo di fusione al momento dell'impatto svolge un ruolo cruciale nell'erosione della superficie quando le particelle si muovono a velocità superiori a una certa soglia.

Questa è un'informazione importante perché la regola empirica nelle applicazioni industriali è che velocità più elevate porteranno sempre a risultati migliori. Le nuove scoperte mostrano che non è sempre così, e "dovremmo essere consapevoli che c'è questa regione nella fascia alta" della gamma di velocità di impatto, dove l'efficacia del rivestimento (o rinforzo) diminuisce invece di migliorare, dice Hassani-Gangaraj. "Per evitarlo, dobbiamo essere in grado di prevedere" la velocità con cui cambiano gli effetti.

I risultati possono anche far luce su situazioni in cui gli impatti sono incontrollati, come quando le particelle trasportate dal vento colpiscono le pale delle turbine eoliche, quando le microparticelle colpiscono veicoli spaziali e satelliti, o quando frammenti di roccia e ghiaia trasportati da un flusso di petrolio o di gas erodono le pareti delle condutture. "Vogliamo capire i meccanismi e le condizioni esatte in cui possono verificarsi questi processi di erosione, "Dice Hassani-Gangaraj.

La sfida di misurare i dettagli di questi impatti era duplice. Primo, gli eventi di impatto avvengono con estrema rapidità, con particelle che viaggiano a una velocità superiore a un chilometro al secondo (tre o quattro volte più veloce degli aerei a reazione). E secondo, le particelle stesse sono così minuscole, circa un decimo dello spessore di un capello, che osservarli richiede anche un ingrandimento molto elevato. Il team ha utilizzato un banco di prova per l'impatto delle microparticelle sviluppato al MIT, che può registrare video di impatto con frame rate fino a 100 milioni di fotogrammi al secondo, eseguire una serie di esperimenti che ora hanno chiaramente delineato le condizioni che determinano se una particella rimbalzerà su una superficie, attenersi ad esso, o erodere la superficie fondendo.

Per i loro esperimenti, il team ha utilizzato particelle di stagno di circa 10 micrometri (centomillesimi di metro) di diametro, accelerato a velocità che vanno fino a 1 chilometro al secondo e colpendo una superficie di latta. Le particelle sono state accelerate utilizzando un raggio laser che evapora istantaneamente una superficie del substrato ed espelle le particelle nel processo. Un secondo raggio laser è stato utilizzato per illuminare le particelle volanti mentre colpivano la superficie.

Precedenti studi si erano basati sull'analisi post mortem, ovvero lo studio della superficie dopo l'impatto. Ma ciò non ha permesso di comprendere le complesse dinamiche del processo. È stata solo l'imaging ad alta velocità a rivelare che la fusione sia della particella che della superficie ha avuto luogo al momento dell'impatto, nei casi ad alta velocità.

Il team ha utilizzato i dati di questi esperimenti per sviluppare un modello generale per prevedere la risposta di particelle di una data dimensione che viaggiano a una data velocità, dice David Veysset, un ricercatore del personale al MIT e coautore del documento. Finora, lui dice, hanno usato metalli puri, ma il team pianifica ulteriori test utilizzando leghe e altri materiali. Intendono anche testare gli impatti a una varietà di angoli diversi dagli impatti diretti verso il basso testati finora. "Possiamo estendere questo a ogni situazione in cui l'erosione è importante, " dice. L'obiettivo è sviluppare "una funzione che possa dirci se l'erosione avverrà o meno".

Ciò potrebbe aiutare gli ingegneri "a progettare materiali per la protezione dall'erosione, che sia nello spazio o a terra, ovunque vogliano resistere all'erosione, " dice Veyset.

"Gli autori esplorano un nuovo regime di impatto ad alta velocità in cui le particelle impattanti si fondono effettivamente, " dice H. Jay Melosh, professore di fisica e ingegneria aerospaziale alla Purdue University e specialista in impatti, che non è stato coinvolto in questo studio. Aggiunge, "In questo regime possono aggiungere materiale dalle particelle impattanti oltre a erodere il bersaglio. Questo potrebbe eventualmente trovare un'applicazione tecnologica, ma il lavoro presentato nel documento è principalmente un'analisi della meccanica dell'impatto e fornisce una valutazione quantitativa di quanto del bersaglio (substrato) viene eroso in funzione della velocità di impatto."

Melosh dice, "Il lavoro sperimentale è di altissima qualità... potrei immaginare che potrebbe avere applicazioni per alcuni tipi di fresatura superficiale, simile alla sabbiatura ma più aggressivo di quel metodo."

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.