Quando l'alluminio viene legato con le giuste proporzioni di scandio e litio attraverso una semplice serie di trattamenti termici, inclusioni di nanoparticelle si formano nella matrice di alluminio (sfondo scuro) i cui nuclei, in alluminio, scandio, e litio (occhiaie), variano di diametro e le cui conchiglie, in alluminio e litio (anelli luminosi), variare di spessore. Ma i loro diametri complessivi sono notevolmente uniformi. Credito:Lawrence Berkeley National Laboratory
Molto prima che sapessero che lo stavano facendo - già nel primo motore di aeroplano dei fratelli Wright - i metallurgisti stavano incorporando nanoparticelle nell'alluminio per creare un forte, duro, lega resistente al calore. Il processo è chiamato precipitazione allo stato solido, in quale, dopo che la fusione è stata rapidamente raffreddata, gli atomi dei metalli alliganti migrano attraverso una matrice solida e si raccolgono in particelle disperse misurate in miliardesimi di metro, solo poche decine di atomi di larghezza.
La chiave della resistenza di queste leghe indurite per precipitazione è la dimensione, forma, e l'uniformità delle nanoparticelle e quanto sono stabili quando vengono riscaldate. Una lega con una combinazione di proprietà di grande successo è una particolare formulazione di alluminio, scandio, e litio, i cui precipitati sono quasi tutti della stessa dimensione. È stato realizzato per la prima volta presso il Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'energia degli Stati Uniti nel 2006 da un team guidato da Velimir Radmilović e Ulrich Dahmen della Divisione di scienze dei materiali.
Questi scienziati e i loro colleghi hanno ora combinato osservazioni su scala atomica con il potente microscopio TEAM del National Center for Electron Microscopy (NCEM) del Berkeley Lab con la tomografia a sonda atomica e altre tecniche sperimentali, e con calcoli teorici, per rivelare come le nanoparticelle costituite da nuclei ricchi di scandio e circondati da gusci ricchi di litio possono disperdersi in dimensioni notevolmente uniformi in una matrice di alluminio puro.
"Con il microscopio TEAM siamo stati in grado di studiare la struttura nucleo-guscio di questi nanoprecipitati e come formano sfere che hanno quasi lo stesso diametro, "dice Dahmen, il direttore di NCEM e autore del Materiali della natura documento che descrive i nuovi studi. "Cosa c'è di più, queste particelle non cambiano dimensione nel tempo, come fa la maggior parte dei precipitati. Tipicamente, le particelle piccole diventano più piccole e le particelle grandi diventano più grandi, un processo chiamato maturazione o ingrossamento, che alla fine indebolisce le leghe. Ma questi nanoprecipitati uniformi del nucleo-guscio resistono al cambiamento".
Evoluzione di una lega
Nel sistema alluminio-scandio-litio i ricercatori hanno scoperto che, dopo la fusione iniziale, un semplice processo di riscaldamento in due fasi crea prima i nuclei ricchi di scandio e poi i gusci ricchi di litio delle particelle sferiche. Le sfere autolimitano la loro crescita per raggiungere le stesse dimensioni esterne, ottenendo un peso leggero, potenzialmente resistente al calore e alla corrosione, lega super resistente.
"Lo scandio è il più potente rinforzante per l'alluminio, " dice Radmilović di NCEM, che è anche professore di metallurgia all'Università di Belgrado, Serbia, e un autore del Materiali della natura carta. "L'aggiunta di meno dell'1% di scandio può fare una differenza drammatica nella resistenza meccanica, resistenza alla frattura, resistenza alla corrosione - tutti i tipi di proprietà." Poiché lo scandio si diffonde molto lentamente attraverso la solida matrice di alluminio, la miscela solida deve essere riscaldata ad alta temperatura (a corto di fusione) prima che lo scandio precipiti.
Il litio è il più leggero di tutti i metalli (solo l'idrogeno e l'elio sono più leggeri) e conferisce non solo leggerezza a una lega di alluminio ma, potenzialmente, forza pure. Il litio si diffonde molto più rapidamente dello scandio, a temperatura molto più bassa.
"Il problema è che, da solo, il litio potrebbe non essere all'altezza delle sue promesse, "dice Dahmen, un collaboratore di lunga data con Radmilović. "Il trucco è convincere il litio ad assumere un'utile struttura cristallina, vale a dire L1 2 ."
L1 2 la cella unitaria assomiglia a una cella cubica a facce centrate, tra le più semplici e simmetriche delle strutture cristalline. Gli atomi occupano ogni angolo di un cubo immaginario e sono centrati nelle sei facce del cubo; nella L1 2 struttura, i tipi di atomi agli angoli possono differire da quelli al centro delle facce. Per le inclusioni di leghe è una delle strutture più resistenti e stabili perché, come spiega Dahmen, "una volta che gli atomi sono a posto in L1 2 , è difficile per loro muoversi".
Dahmen attribuisce a Radmilović "l'intuizione" di legare sia lo scandio che il litio con l'alluminio, riscaldare e raffreddare il materiale in una specifica serie di passaggi. Quell'intuizione si basava sulla lunga esperienza di Radmilović con le proprietà separate delle leghe alluminio-litio e alluminio-scandio e su una profonda comprensione di come avrebbero potuto interagire. Ha elaborato una ricetta per le proporzioni degli ingredienti nella fusione iniziale e come raffreddarli e riscaldarli.
La chiave del processo era usare il litio come una sorta di catalizzatore per forzare una "esplosione di nucleazione" nello scandio. Dopo che i tre metalli sono stati mescolati, fuso, e rapidamente raffreddato o spento, il litio serve ad abbassare il riscaldamento necessario per convincere lo scandio a formare strutture centrali dense, sebbene la miscela solida debba ancora essere riscaldata a 450 gradi Celsius (842 Fahrenheit) per 18 ore per formare questi nuclei, in alluminio, litio, e scandio. I nuclei hanno un diametro medio di poco più di nove nanometri, ma non sono di dimensioni uniformi.
Successivamente la lega viene nuovamente riscaldata, questa volta a 190˚ Celsius (374˚ F) per quattro ore. Alla temperatura più bassa lo scandio è immobile; il litio che si muove liberamente forma un guscio attorno ai nuclei ricchi di scandio, proprio come l'acqua in una nuvola si cristallizza attorno a un granello di polvere per formare un fiocco di neve. I gusci hanno uno spessore medio di circa 10,5 nanometri, ma il loro spessore non è uniforme.
Cosa c'è di straordinario, anche se, è che quando un nucleo è più spesso della media, il guscio è più sottile della media, e viceversa:più piccolo è il nucleo, più velocemente cresce il guscio. Le dimensioni del core e del guscio sono "anticorrelate" e il risultato è "concentrato sulle dimensioni". Intere sfere variano ancora in qualche modo, ma le differenze sono molto minori che tra i soli nuclei o i soli gusci.
L1 2 la struttura è mostrata in basso a sinistra, con atomi di alluminio in grigio e atomi di scandio o di litio verde rossastro. Nelle immagini di una nanoparticella core-shell realizzata dal microscopio TEAM di NCEM, ogni punto mostra la parte superiore di una colonna di atomi; i tipi di atomi in ciascuna colonna possono essere calcolati dalla luminosità e dal contrasto dei punti. La matrice di alluminio ha una struttura cubica a facce centrate in cui tutti gli atomi sono alluminio, mentre in L1 2 struttura anche le posizioni centrate sul viso sono in alluminio. Ma nel nucleo della nanoparticella (in alto a destra), le colonne agli angoli della L1 2 le celle unitarie sono un mix di alluminio, litio, e atomi di scandio, mentre nel guscio circostante (in basso a destra), le colonne angolari sono un mix di alluminio e litio. Credito:Lawrence Berkeley National Laboratory
La struttura dei nuclei e dei gusci annegati nell'alluminio sembra altrettanto notevole. L'alluminio puro stesso ha una struttura cubica a facce centrate, e questa struttura è ripetuta senza soluzione di continuità da L1 2 struttura sia dei nuclei che dei gusci, perfettamente uniti senza dislocazioni alle interfacce tra core, guscio, e matrice.
Dahmen dice, "Sono i nuclei ricchi di scandio che convincono il litio ad affrontare l'utile L1 2 struttura."
Unire l'esperimento con la teoria
Utilizzando il microscopio TEAM e una speciale tecnica di imaging per guardare in basso le parti superiori delle file regolari di colonne di atomi, il L1 2 struttura si rivela in gruppi di riquadri ad incastro, con quattro colonne di atomi agli angoli e cinque colonne di atomi ai centri allineati delle facce.
In alluminio puro, tutti i punti hanno la stessa luminosità. Nei gusci e nei nuclei, però, le colonne angolari e le colonne a facce centrate differiscono per contrasto:le colonne a facce centrate sono in alluminio puro ma le colonne ad angolo sono miste. Integrando le immagini TEAM ad alta risoluzione con i dati di altre tecniche sperimentali è stato possibile utilizzare la luminosità e il contrasto per calcolare i tipi di atomi in ciascuna colonna.
Utilizzando i calcoli dei principi primi, i membri del team Colin Ophus e Mark Asta sono stati in grado di modellare l'effetto del litio sulla precipitazione allo stato solido dello scandio, stimolando un improvviso scoppio di nucleazione, e anche per capire perché, a causa delle proprietà termodinamiche dei due metalli che interagiscono con l'alluminio e tra loro, i precipitati sono così uniformi e stabili.
Radmilovic dice, "Colin e Mark hanno dimostrato che il litio e lo scandio si somigliano. Hanno anche dimostrato che utilizzando le colonne di alluminio come standard, possiamo calcolare l'intensità dello scandio e del litio dalla luminosità del punto." Nei gusci, le colonne angolari contengono alluminio e circa il 10% di litio. Nei nuclei, le colonne d'angolo contengono tutti e tre i metalli.
Dahmen dice, "Negli ultimi anni c'è stato un rapido aumento nell'uso della 'microscopia integrativa' - utilizzando una varietà di tecniche come l'imaging a campo oscuro anulare ad alta angolazione, contrasto di fase ad alta risoluzione, e l'imaging e la spettroscopia con filtro energetico per affrontare un singolo problema. Il microscopio TEAM, che viene corretto sia per l'aberrazione cromatica che sferica, è unico nella sua capacità di eseguire tutte queste tecniche ad alta risoluzione. Capire perché le nanoinclusioni in alluminio-scandio-litio sono uniformi è uno dei migliori esempi della necessità di utilizzare la microscopia integrativa".
Una lega buona quanto l'alluminio-scandio-litio, il suo utilizzo può essere limitato dal costo dello scandio raro, attualmente dieci volte il prezzo dell'oro. Comprendendo come la lega raggiunge le sue notevoli caratteristiche, i ricercatori si aspettano pienamente che altri sistemi con precipitati nucleo-guscio possano essere controllati dagli stessi meccanismi, portando a nuovi tipi di leghe con una gamma di proprietà desiderabili.
