(PhysOrg.com) -- I ricercatori del California Institute of Technology hanno sviluppato un modo per rendere duttili alcuni materiali notoriamente fragili, ma più resistenti che mai, semplicemente riducendo le loro dimensioni.

Il lavoro, di Dongchan Jang, borsista postdottorato senior, e Julia R. Greer, assistente professore di scienza dei materiali e meccanica al Caltech, potrebbe eventualmente portare allo sviluppo di soluzioni innovative, fortissimo, ma materiali leggeri e resistenti ai danni. Questi nuovi materiali potrebbero essere utilizzati come componenti in applicazioni strutturali, come nei veicoli aerospaziali leggeri che durano più a lungo in condizioni ambientali estreme e nelle navi militari resistenti alla corrosione e all'usura.

Un articolo sul lavoro appare nell'edizione online anticipata del 7 febbraio della rivista Materiali della natura .

"Storicamente, "dice Greer, "i materiali strutturali hanno sempre dovuto fare affidamento sulle loro condizioni di lavorazione, e quindi sono stati "schiavi" delle loro proprietà." Ad esempio, le ceramiche sono molto resistenti, che li rende ideali per applicazioni strutturali. Allo stesso tempo, questi materiali sono molto pesanti, che è problematico per molte applicazioni, e sono estremamente fragili, che è tutt'altro che ideale per sostenere carichi pesanti. Infatti, dice Greer, "si guastano catastroficamente sotto carichi meccanici." Metalli e leghe, d'altra parte, sono duttili, e quindi difficilmente frantumabile, ma mancano della forza della ceramica.

Gli scienziati dei materiali hanno sviluppato un'intrigante classe di materiali chiamati leghe metalliche vetrose, che sono amorfi e mancano della struttura cristallina dei metalli tradizionali. I materiali, noto anche come occhiali metallici, sono composti da disposizioni casuali di elementi metallici come lo zirconio, titanio, rame, e nichel. Sono leggeri:un "enorme vantaggio" per la loro incorporazione in nuovi tipi di dispositivi, Greer dice, eppure sono paragonabili in forza alla ceramica. Sfortunatamente, la loro struttura casuale rende i vetri metallici piuttosto fragili. "Si guastano anche catastroficamente sotto carichi di trazione, " lei dice.

Ma ora Greer e Jang, il primo autore dell'articolo Nature Materials, hanno sviluppato una strategia per superare questi ostacoli, realizzando occhiali metallici che sono quasi irrimediabilmente piccoli.

Gli scienziati hanno ideato un processo per fare in modo che i pilastri di vetro metallico ricco di zirconio abbiano un diametro di appena 100 nanometri, circa 400 volte più stretti della larghezza di un capello umano. A questa dimensione, Greer dice, "i vetri metallici diventano non solo ancora più forti, ma anche duttile, il che significa che possono essere deformati fino a un certo allungamento senza rompersi. Forza più duttilità, " lei dice, rappresenta "una combinazione molto redditizia per applicazioni strutturali".

Finora, non ci sono applicazioni immediate per i nuovi materiali, anche se potrebbe essere possibile combinare i nanopillar in array, che potrebbero poi formare i mattoni di strutture gerarchiche più grandi con la forza e la duttilità degli oggetti più piccoli.

Il lavoro, però, "dimostra in modo convincente che la 'dimensione' può essere utilizzata con successo come parametro di progettazione, " dice Greer. "Stiamo entrando in una nuova era nella scienza dei materiali, dove i materiali strutturali possono essere creati non solo utilizzando strutture monolitiche, come ceramiche e metalli, ma anche introducendo in essi caratteristiche 'architettoniche'."

Per esempio, Greer sta lavorando alla fabbricazione di un'architettura "mattone e malta" utilizzando minuscole lastre di vetro metallico e metallo duttile a grana ultrafine con dimensioni su scala nanometrica che potrebbero quindi essere utilizzate per fabbricare nuovi compositi ingegneristici con resistenza e duttilità amplificate.

Per utilizzare questo approccio basato sull'architettura per creare materiali strutturali con proprietà migliorate, ovvero, Per esempio, fortissimo, ma leggero e duttile:i ricercatori devono capire come ogni parte costituente si deforma durante l'uso e sotto stress.

"Le nostre scoperte, " lei dice, "fornire una base potente per l'utilizzo di componenti su scala nanometrica, che sono in grado di sostenere carichi molto elevati senza mostrare guasti catastrofici, in applicazioni strutturali su larga scala in particolare incorporando il controllo architettonico e microstrutturale."

Aggiunge Greer:"L'aspetto particolarmente interessante dell'esperimento è che è quasi impossibile da fare! Dongchan, il mio fantastico postdottorato, è stato in grado di realizzare campioni individuali di nanopillar di vetro metallico a trazione di 100 nanometri di diametro, che nessuno aveva mai fatto prima, e poi abbiamo usato il nostro strumento di deformazione meccanica in situ costruito su misura, SEMentore, per eseguire gli esperimenti. Ha fabbricato i campioni, li ho provati, e analizzato i dati. Insieme abbiamo potuto interpretare i risultati e formulare la teoria fenomenologica, ma il merito è tutto suo".

Il lavoro in Materiali della natura carta, "Transizione da uno stato forte ma fragile a uno stato più forte e duttile grazie alla riduzione delle dimensioni dei vetri metallici, " è stato finanziato dalla National Science Foundation e dall'Office of Naval Research, e ha utilizzato le strutture di fabbricazione e caratterizzazione del Kavli Nanoscience Institute al Caltech.