I metalli con grani di cristallo su scala nanometrica sono super resistenti sebbene non mantengano la loro struttura a temperature più elevate. Di conseguenza, è difficile esplorare la loro elevata resistenza durante le applicazioni dei materiali. In un nuovo rapporto ora pubblicato su Scienza , X. Y. Li e un team di scienziati in scienze e ingegneria dei materiali presso l'Accademia cinese delle scienze e la Shanghai Jiaotong University in Cina, trovato una struttura di minima interfaccia in rame (Cu) con grani di 10 nanometri, che hanno combinato con una rete di gemellaggio cristallografico di nanograni per mantenere un'elevata resistenza a temperature appena al di sotto del punto di fusione. La scoperta ha fornito un percorso diverso per ottenere metalli a nanograna stabilizzata per applicazioni di metallurgia e ingegneria dei materiali.

Bloccare la forza su scala nanometrica

I metalli esistono come solidi policristallini che sono termodinamicamente instabili a causa dei loro bordi dei grani disordinati (GB) e tendono ad essere più stabili quando i bordi dei grani vengono eliminati per formare infine cristalli singoli. Utilizzando esperimenti e simulazioni di dinamica molecolare Li et al. scoperto un diverso tipo di stato metastabile per il rame puro policristallino a grana estremamente fine (Cu). Per policristalli a grana fine con una densità del bordo grano sufficientemente elevata, la trasformazione in uno stato amorfo metastabile è un'opzione alternativa alla stabilizzazione ed è anticipata da un punto di vista termodinamico. Tali stati amorfi, però, raramente si forma per la maggior parte delle leghe metalliche e dei metalli puri in condizioni convenzionali, quindi resta da capire se altre strutture metastabili possono essere adottate quando i grani policristallini vengono costantemente raffinati a scale estremamente piccole.

Uno stato metastabile su scala nanometrica

Ad esempio, quando i grani di rame (Cu) e nichel (Ni) vengono raffinati a poche decine di nanometri di dimensione mediante deformazione plastica, il processo può innescare il rilassamento autonomo del bordo grano in stati a bassa energia con dissociazioni del bordo grano. Le strutture a nanograna possono quindi evolvere in stati più stabili avvicinandosi all'estremo della dimensione dei grani. Utilizzando simulazioni sperimentali e di dinamica molecolare (MD), Li et al. scoperto uno stato metastabile in Cu puro policristallino con granulometrie di pochi nanometri, formato dall'evoluzione dei bordi di grano in strutture di interfaccia minime tridimensionali (3-D) vincolate tramite reti di confine gemelle.

Durante gli esperimenti, il team ha utilizzato un processo di deformazione plastica in due fasi di trattamento di rettifica meccanica superficiale e torsione ad alta pressione in azoto liquido per raffinare grani di rame policristallino con una purezza del 99,97 percentuale in peso su scala nanometrica. Utilizzando la microscopia elettronica a trasmissione in campo chiaro, Li et al. immagini ottenute dei grani estremamente fini, dove il campione si presentava come aggregati irregolari o catene collegate tra loro a formare reti continue. Gli aggregati erano costituiti da diversi grani singoli di pochi nanometri. I minuscoli cristalliti erano collegati tra loro tramite confini atomicamente sottili e il team non ha rilevato fasi amorfe o pori.

Caratterizzazione dei grani

Li et al. caratterizzato i singoli grani del materiale inclinando i campioni al microscopio elettronico a trasmissione ad alta risoluzione per risolvere le loro immagini reticolari e identificato diverse geometrie per molti singoli grani. Le forme dei grani ricordavano un ottaedro troncato; un'opzione favorevole per grani inferiori a 10 nanometri. Il team ha determinato la stabilità termica dei campioni di Cu così preparati con una granulometria media di 10 nm attraverso la ricottura isotermica a varie temperature. Li et al. rilevato più gemelli nei chicchi ricotti, potenzialmente a causa dell'ulteriore dissociazione dei bordi dei grani durante la ricottura a temperature elevate. Elevando le temperature sopra i 1357 K, gli scienziati hanno indotto la fusione, a quel punto tutti i nanograni sono scomparsi.

Hanno quindi preparato un altro campione con grani più grandi per il confronto con lo stesso processo, ma con minor sforzo. Le osservazioni hanno supportato l'idea che i rilassamenti dei bordi dei grani in policristalli con granulometrie più piccole miglioreranno la stabilità. Utilizzando esperimenti di nanoindentazione, hanno notato una stabilità insolita per i grani estremamente ben raffinati nella struttura policristallina.

Il team ha quindi impostato un modello atomistico per studiare l'eccezionale stabilità dei grani di Cu estremamente fini. Per realizzare questo, hanno costruito una supercella Kelvin estesa in riferimento al modello Kelvin, con 16 grani troncati di forma ottaedrica di uguali dimensioni e ha riconosciuto le caratteristiche fondamentali delle reti di confine di grano. Il team ha anche scelto un policristallo Kelvin esteso con una granulometria iniziale di 3,27 nm come struttura di partenza per semplicità e ha condotto simulazioni MD (dinamica molecolare) per rilassare il campione riscaldandolo a diverse temperature target. Durante il rilassamento dinamico molecolare e il successivo riscaldamento, i bordi dei grani nel policristallo Kelvin esteso si sono trasformati in diverse strutture attraverso vari eventi.

Mentre alcuni grani si sono ridotti e alla fine sono scomparsi dopo il riscaldamento a causa della migrazione dei bordi dei grani, l'intera rete di confine del grano non è crollata, invece fondendosi e sviluppandosi in forme diverse per assomigliare topologicamente alla superficie di Schwarz D (superfici periodiche in tre dimensioni). Secondo i risultati di MD, la trasformazione è stata guidata termodinamicamente. Inoltre, la struttura policristallina con interfacce Schwarz D era più stabile dei policristalli Kelvin.

Il ruolo della struttura D di Schwarz

La struttura Schwarz D ottenuta in questo lavoro è rimasta stabile a temperature elevate. Invece di ingrossare, l'irruvidimento del bordo grano si è verificato all'avvicinarsi del punto di fusione; a quel punto la fase liquida è stata nucleata in modo eterogeneo a 1321 K, suggerendo che la stabilità termica superiore sia cineticamente limitata dalla fusione dei bordi dei grani. Il team ha condotto test di carico di trazione uniassiale sulla struttura Schwarz D vincolata al confine gemello coerente (CTB) a varie temperature e deformazioni. Hanno attribuito la modalità primaria di deformazione osservata al gemellaggio e lo stress critico corrispondente al gemellaggio incipiente era dipendente dalla temperatura.

Prospettive per il cristallo Schwarz nello sviluppo dei materiali

In questo modo, sulla base di esperimenti e simulazioni MD, X. Y. Li e colleghi hanno confermato la capacità di ottenere una stabilità pronunciata nel rame policristallino (Cu) con grani di dimensioni nanometriche. Hanno indicato la struttura osservata come un cristallo di Schwarz, un diverso tipo di stato metastabile per i solidi policristallini, che fondamentalmente differiva dagli stati solidi amorfi. L'aspetto del cristallo di Schwarz è previsto in diversi metalli e leghe attraverso l'attivazione di meccanismi di gemellaggio su scala nanometrica. Il cristallo di Cu Schwarz puro conteneva un'altissima densità di interfacce e mostrava una stabilità termica pari a quella di un singolo cristallo, e molto più alto dei solidi amorfi.

La struttura fornirà opportunità emergenti per esplorare i fenomeni fisici e chimici dei metalli relativi alla dinamica di trasporto di atomi ed elettroni alle interfacce e durante le interazioni dei difetti ad alte temperature nella scienza dei materiali. Il cristallo Schwarz ha consentito un'elevata stabilità e resistenza con grani raffinati su scala estremamente fine. Il lavoro aiuterà a superare le difficoltà presenti con le strategie tradizionali per lo sviluppo dei materiali. Il cristallo Schwarz dovrebbe essere accessibile in altri materiali, anche, fornire una direzione diversa per lo sviluppo di materiali resistenti e stabili per applicazioni ad alta temperatura.

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