Cubi d'argento microscopici sono stati i proiettili negli esperimenti della Rice University per mostrare come la deformazione al momento dell'impatto può rendere i materiali più forti e resistenti. Credito:Thomas Group/Rice University
Gli scienziati della Rice University stanno distruggendo i micro-cubi metallici per renderli ultra resistenti e resistenti, riorganizzando le loro nanostrutture al momento dell'impatto.
Il team di Rice ha riferito in Scienza questa settimana che sparando un piccolo, un cubo d'argento quasi perfetto su un bersaglio duro trasforma la sua microstruttura a cristallo singolo in una struttura a gradiente nanometrico (GNG).
Lo scopo dell'esperimento era quello di imparare come i materiali si deformano sotto stress opprimente, come potrebbe essere sperimentato da un giubbotto antiproiettile o da un veicolo spaziale che incontra micrometeoriti. I ricercatori ritengono che la creazione di una nanostruttura a gradiente nei materiali mediante deformazione li renderà più duttili e quindi meno soggetti a guasti catastrofici quando successivamente sottoposti a stress.
In definitiva, vogliono sviluppare metalli a nanograna che siano più resistenti e resistenti di qualsiasi cosa disponibile oggi.
Guidato dallo scienziato dei materiali Edwin Thomas, il William e Stephanie Sick Dean della George R. Brown School of Engineering di Rice, il team ha utilizzato il suo avanzato sistema di test di impatto del proiettile indotto da laser (LIPIT) per sparare microcubi su un bersaglio di silicio. Il meccanismo permetteva loro di essere sicuri che il cubo colpisse esattamente il bersaglio.
Il laboratorio Thomas ha sviluppato la tecnica LIPIT diversi anni fa per sparare microproiettili per testare la resistenza dei materiali in pellicola di polimero e grafene. Questa volta i ricercatori stavano essenzialmente testando il proiettile stesso.
"L'impatto ad alta velocità genera una pressione molto elevata che supera di gran lunga la resistenza del materiale, " ha detto Thomas. "Ciò porta a un'elevata plasticità sul lato dell'impatto del cubo mentre la regione superiore mantiene la sua struttura iniziale, creando infine un gradiente di granulometria lungo la sua altezza."
Un'immagine composita in sezione trasversale di un microcubo d'argento colpito sul suo lato mostra una granulometria decrescente più vicina al punto in cui il cubo deformato ha colpito il bersaglio. Gli scienziati della Rice University ritengono che la loro ricerca porterà a materiali migliori per applicazioni ad alto impatto. Credito:Thomas Group/Rice University
I proiettili originali dovevano essere il più perfetti possibile. Ciò richiedeva un metodo di fabbricazione personalizzato, disse Tommaso. I cubi per lo studio sono stati sintetizzati come cristalli singoli tramite crescita dei semi dal basso verso l'alto a circa 1,4 micron per lato, circa 50 volte più piccolo della larghezza di un capello umano.
LIPIT ha trasformato la potenza del laser nell'energia meccanica che ha spinto i cubi verso un bersaglio a velocità supersonica. I cubi sono stati posti sopra un sottile film polimerico che li ha isolati termicamente e ha impedito al laser stesso di deformarli. Quando un impulso laser colpisce uno strato assorbente d'oro a film sottile sotto il polimero, l'energia del laser lo ha fatto vaporizzare. Che ha espanso il film polimerico, che ha lanciato i microcubi.
La distanza coperta era piccola, circa 500 micrometri, ma l'effetto era grande. Mentre gli esperimenti sono stati condotti a temperatura ambiente, la temperatura del cubo è aumentata di circa 350 gradi Fahrenheit all'impatto a 400 metri al secondo e ha permesso la ricristallizzazione dinamica.
La squadra ha sparato cubi d'argento al bersaglio con vari orientamenti e ha misurato i risultati dell'impatto da ogni angolazione, dentro e fuori e dalla nanoscala in su. Il controllo dell'orientamento dell'impatto del cristallo ha dato loro un'enorme capacità di controllare la struttura risultante e potenzialmente le sue proprietà meccaniche, disse Tommaso.
Ricercatori della Rice University (da sinistra) Olawale Lawal, Ramathasan Thevamaran, Edwin Thomas e Sadegh Yazdi tengono in mano modelli in argilla di cubi deformati che rappresentano i risultati dei loro esperimenti su microscala. I ricercatori hanno frantumato i microcubi d'argento a velocità quasi supersoniche per vedere come la deformazione delle loro strutture cristalline potrebbe renderli più forti e resistenti. Credito:Jeff Fitlow/Rice University
Altri processi industriali producono materiali con grani che possono variare dal nanocristallino fino al grossolano, e, Tommaso ha detto, nessuna struttura è ideale. Mentre le strutture nanocristalline rendono i metalli più forti, aumentano anche la loro suscettibilità a catastrofiche rotture fragili a causa del modo in cui quei grani localizzano la deformazione. Gli studi hanno dimostrato che la creazione di una struttura a gradiente nanometrico dalla scala nanometrica a quella micrometrica può fornire un'elevata resistenza ma alleviare tali fragili guasti grazie a una migliore distribuzione dello stress.
Il processo Rice in un'unica fase realizza tali strutture con una gamma di grani da circa 10 a 500 nanometri su una distanza di 500 nanometri. Che produce un gradiente almeno 10 volte superiore alle altre tecniche, hanno riferito i ricercatori.
Hanno anche scoperto che l'impatto immagazzina una notevole energia elastica nel materiale, che porta alla ricristallizzazione lenta ma continua del metallo a temperatura ambiente, anche se il punto di fusione dell'argento è maggiore di 1, 700 gradi Fahrenheit. L'analisi al microscopio elettronico dei campioni otto giorni dopo l'impatto ha mostrato che i cristalli stavano ancora cercando l'equilibrio, disse Tommaso.
Oltre ai promettenti percorsi per la creazione di metalli ultraresistenti e tenaci, i ricercatori ritengono che il loro lavoro possa influenzare altre tecniche moderne di lavorazione dei materiali come la spruzzatura a freddo e la pallinatura.
