Proiettili perforanti, ugelli per motori a razzo e punte da trapano per tagliare la roccia solida sono solo alcuni dei prodotti realizzati con tungsteno, uno degli elementi più duri e resistenti al calore dell'universo.
Il tungsteno, come la maggior parte degli altri elementi metallici, non si trova in natura come un pezzo di metallo lucido. Deve essere isolato chimicamente da altri composti, in questo caso il minerale naturale wolframite. Ecco perché il simbolo del tungsteno sulla tavola periodica non è T ma W, che è l'abbreviazione di "wolfram". Il nome tungsteno in svedese significa "pietra pesante", un riferimento alla densità e al peso inquietanti dell'elemento. Il suo numero atomico (il numero di protoni nel nucleo del suo atomo) è 74 e il suo peso atomico (media ponderata dei suoi isotopi naturali) è 183,84.
Una coppia di chimici spagnoli (e fratelli), Juan José e Fausto Elhuyar, hanno il merito di aver scoperto il tungsteno nel 1783 quando isolarono per la prima volta il metallo bianco-grigiastro dalla wolframite.
Una delle proprietà più impressionanti e utili del tungsteno è il suo alto punto di fusione, il più alto di tutti gli elementi metallici. Il tungsteno puro si scioglie a ben 6.192 gradi F (3.422 gradi C) e non bolle fino a quando le temperature non raggiungono i 10.030 F (5.555 C), che è la stessa temperatura della fotosfera del sole.
Il ferro, per confronto, ha un punto di fusione di 2.800 gradi F (1.538 gradi C) e l'oro si trasforma in liquido a soli 1.947,52 gradi F (1.064,18 gradi C).
Tutti i metalli hanno punti di fusione relativamente alti perché i loro atomi sono tenuti insieme da stretti legami metallici, afferma John Newsam, un chimico e scienziato dei materiali che abbiamo contattato tramite l'American Chemical Society. I legami metallici sono così forti perché condividono gli elettroni attraverso un'intera matrice tridimensionale di atomi. Newsam afferma che il tungsteno sopravvive agli altri metalli a causa dell'insolita forza e direzionalità dei suoi legami metallici.
"Perché è così importante?" chiede Newsam. "Pensa a Edison che lavorava sui filamenti per la lampadina a incandescenza. Aveva bisogno di un materiale che non solo emettesse luce ma non si sciogliesse a causa del calore."
Edison ha sperimentato molti materiali di filamenti diversi, tra cui platino, iridio e bambù, ma è stato un altro inventore americano, William Coolidge, a cui è stato attribuito il merito di aver realizzato i filamenti di tungsteno utilizzati nella maggior parte delle lampadine nel corso del 20° secolo.
L'alto punto di fusione del tungsteno ha altri vantaggi, come quando viene miscelato come una lega con materiali come l'acciaio. Le leghe di tungsteno sono placcate su sezioni di razzi e missili che devono resistere a un calore tremendo, compresi gli ugelli del motore che espellono flussi esplosivi di carburante per razzi.
La densità dei diversi elementi è un riflesso della dimensione dei loro atomi componenti. Più si scende nella tavola periodica, più grandi e pesanti sono gli atomi.
"Gli elementi più pesanti, come il tungsteno, hanno più protoni e neutroni nel nucleo e più elettroni in orbita attorno al nucleo", afferma Newsam. "Ciò significa che il peso di un atomo aumenta in modo significativo mentre scendi nella tavola periodica."
In termini pratici, se tieni un pezzo di tungsteno in una mano e tieni lo stesso volume di argento o ferro nell'altra mano, il tungsteno si sentirebbe molto più pesante. In particolare, la densità del tungsteno è di 19,3 grammi per centimetro cubo. L'argento, in confronto, è circa la metà della densità del tungsteno (10,5 g/cm 3 ) e il ferro è quasi un terzo più denso (7,9 g/cm 3 ).
Il peso ad alta densità del tungsteno può essere un vantaggio in determinate applicazioni. Viene spesso utilizzato nei proiettili perforanti, ad esempio, per la sua densità e durezza. I militari usano il tungsteno anche per realizzare le cosiddette armi da "bombardamento cinetico" che sparano con una bacchetta di tungsteno come un ariete aereo per sfondare pareti e armature di carri armati.
Durante la Guerra Fredda, l'Air Force avrebbe sperimentato un'idea chiamata Project Thor che avrebbe fatto cadere un fascio di barre di tungsteno di 20 piedi (6 metri) dall'orbita sui bersagli nemici. Queste cosiddette "canne da Dio" avrebbero avuto un impatto con la forza distruttiva di un'arma nucleare, ma senza la ricaduta nucleare. Si è scoperto che il costo del lancio di aste pesanti nello spazio era proibitivo.
Il tungsteno puro non è così duro — puoi tagliarlo con un seghetto a mano — ma quando il tungsteno viene combinato con piccole quantità di carbonio, diventa carburo di tungsteno, una delle sostanze più dure e resistenti sulla Terra.
"Quando metti piccole quantità di carbonio o altri metalli nel tungsteno, fissa la struttura e impedisce che si deformi facilmente", afferma Newsam.
Il carburo di tungsteno è così duro che può essere tagliato solo dai diamanti e, anche in questo caso, i diamanti funzionano solo se il carburo di tungsteno non è completamente polimerizzato. Il carburo di tungsteno è fino a tre volte più rigido dell'acciaio, può durare fino a 100 volte più a lungo dell'acciaio in condizioni altamente abrasive e ha la maggiore resistenza alla compressione di tutti i metalli forgiati, il che significa che non si ammacca o si deformerà se schiacciato sotto una forza tremenda .
L'uso più comune del carburo di tungsteno - e la destinazione finale della maggior parte del tungsteno estratto sul pianeta - sono strumenti specializzati, in particolare punte da trapano. Qualsiasi tipo di punta da trapano per il taglio di metallo o roccia solida deve resistere a livelli di attrito punitivi senza smussare o rompersi. Solo le punte diamantate sono più dure del carburo di tungsteno, ma sono anche molto più costose.
La durezza, la densità e la resistenza al calore del tungsteno lo rendono ideale per molte applicazioni di nicchia:
I falsari hanno capito molto tempo fa che il tungsteno è denso quasi esattamente quanto l'oro e talvolta cercano di far passare lingotti di tungsteno placcati in oro per lingotti d'oro puro.
