Le proprietà dei nanomateriali potrebbero essere più facili da prevedere in futuro. Gli scienziati dell'Istituto Max Planck per i sistemi intelligenti di Stoccarda hanno macinato il metallo in polveri sempre più fini gradualmente e hanno preparato un catalogo dettagliato di come cambia la struttura dei grani metallici a seconda della dimensione dei grani. Hanno scoperto che i reticoli cristallini inizialmente si restringono, ma si espandono nuovamente al di sotto di una certa granulometria soglia. La disposizione e la spaziatura degli atomi determinano numerose proprietà di un materiale. Se è possibile caratterizzare accuratamente i reticoli cristallini in funzione della dimensione delle particelle, può anche essere possibile così calcolare più accuratamente come si comportano le nanoparticelle di una particolare dimensione.

Il caffè più fine è macinato, più intenso è il gusto. Il rapporto tra proprietà e grind riguarda anche un team di scienziati guidato da Eric Jan Mittemeijer, Direttore del Max Planck Institute for Intelligent Systems. I ricercatori non lavorano con il caffè, ma invece con metalli su scala nanometrica. Con vari metalli a nanograna molto finemente polverizzati hanno determinato che gli atomi di metallo nei singoli grani cristallini grandi si accalcano insieme più strettamente, più fini sono i grani macinati. Il reticolo cristallino del materiale diventa così più compresso. Però, non appena i grani misurano meno di circa 30 nanometri di diametro, gli atomi invertono il loro comportamento e il reticolo cristallino si espande nuovamente.

Gli scienziati dei materiali sanno da tempo che uno stesso materiale può esibire proprietà diverse, anzi contraddittorie, a seconda delle dimensioni delle sue particelle. Ciò si applica principalmente quando le dimensioni di un campione di materiale scendono nell'intervallo dei nanometri. Si sa già abbastanza anche sulle ragioni del diverso comportamento dei grani molto fini e più grossolani. In grandi cristalli di metallo, la maggior parte degli atomi è completamente circondata da più atomi dello stesso tipo. In questo tipo di reticolo ordinato, le forze attrattive e repulsive tra gli atomi di metallo sono in equilibrio.

In grani su scala nanometrica, gli atomi di superficie governano le proprietà del materiale

A confronto, i nanocristalli sono costituiti da un numero relativamente basso di atomi, una parte molto grande della quale si trova sulla superficie dei grani. Man mano che la granulometria diminuisce, il rapporto tra superficie e volume aumenta. Gli atomi di superficie non sono circondati su tutti i lati dagli stessi atomi, e al di sotto di una certa dimensione dei cristalli regolano le proprietà del materiale come il colore, conducibilità, proprietà magnetiche e durezza della sostanza.

I ricercatori hanno prodotto materiali nanocristallini in un mulino a palle, nichel polverizzato, ferro da stiro, rame, e tungsteno. Le sfere d'acciaio schiacciano i metalli in un tamburo di forma cilindrica in minuscoli cristalli. Attraverso l'uso della microscopia elettronica e dell'analisi di diffrazione dei raggi X, gli scienziati di Stoccarda hanno ora indagato sistematicamente, per la prima volta, esattamente come sono disposti gli atomi nei cristalli metallici sempre più fini. Erano principalmente interessati a come la distanza tra gli atomi nel reticolo cristallino cambia in funzione della dimensione dei grani di cristallo.

In linea con le loro aspettative, gli scienziati hanno inizialmente osservato che i reticoli cristallini dei quattro metalli studiati si contraevano con la diminuzione della dimensione dei grani. "Mentre continuavamo la serie di esperimenti con grani sempre più piccoli, però, abbiamo fatto una scoperta sorprendente", dice Eric Jan Mittemeijer. "Se la granulazione scende al di sotto di una certa dimensione nell'intervallo dei nanometri, il reticolo cristallino si espande nuovamente e la distanza tra gli atomi aumenta".

Lo stress superficiale e il volume in eccesso competono tra loro

Il fatto che la distanza tra gli atomi nei nanocristalli dipenda dalla dimensione del grano è, secondo gli scienziati, il risultato di due influenze concorrenti:lo stress superficiale e l'eccesso di volume libero. Nei metalli, gli atomi, che sono densamente ordinati all'interno e quindi possiedono molti legami con altri atomi, hanno un'energia inferiore rispetto agli atomi sulla superficie del grano, cui mancano diversi partner di legame. Questo crea uno stress superficiale. Consente agli atomi di avvicinarsi sempre di più l'uno all'altro man mano che la dimensione dei grani diminuisce e il rapporto tra superficie e volume aumenta.

Al di sotto di una certa dimensione, entra in gioco un ulteriore effetto degli atomi sulla superficie del grano. Un confine di grano, come è noto, forme in cui due grani su scala nanometrica si incontrano. Gli atomi di superficie dei grani vicini, cioè gli atomi al bordo grano, cercare di assumere una posizione di compromesso tra i due reticoli cristallini intersecanti o sovrapposti. Pertanto si spostano dalle loro posizioni reali nel reticolo e occupano un volume maggiore degli atomi, occupare una posizione fissa in un reticolo regolare. I ricercatori parlano di eccesso di volume libero nei bordi dei grani, che può essere abbastanza pronunciato con i nanomateriali. Questo volume libero nei bordi dei grani dei nanomateriali crea un campo di stress che espande la spaziatura tra gli atomi vicini nei nanocristalli.

"L'influenza di questo volume libero in eccesso sulle posizioni reticolari degli atomi può essere tranquillamente trascurata per oggetti più grandi di circa 30 nanometri", dice Mittemeijer. "Regola il comportamento degli oggetti più piccoli, però, mentre lo stress superficiale perde importanza".

La ricerca condotta dagli scienziati di Max Planck potrebbe rivelarsi di grande importanza per la scienza dei materiali. "La nostra ricerca contribuisce a comprendere meglio le proprietà dei nanomateriali, in modo che un ingegnere sappia quale nanomateriale è adatto alla lavorazione o ai prodotti, Per esempio", dice Gayatri Rane, che ha svolto un lavoro cruciale nello studio. Sai Ramudu Meka, che ha anche partecipato, aggiunge, "Se non sappiamo come si comporta un materiale, non possiamo nemmeno impiegarlo correttamente".