I ricercatori della Brown University e dell'Istituto di ricerca sui metalli dell'Accademia cinese delle scienze hanno trovato un nuovo modo per utilizzare i nanogemelli, piccoli confini lineari nel reticolo atomico di un metallo che hanno strutture cristalline identiche su entrambi i lati, per creare metalli più forti.

In un articolo sulla rivista Scienza , i ricercatori mostrano che variando la distanza tra i confini gemelli, invece di mantenere una spaziatura costante in tutto, produce notevoli miglioramenti nella resistenza di un metallo e nella velocità di incrudimento, la misura in cui un metallo si rafforza quando viene deformato.

Huajian Gao, un professore della Brown's School of Engineering che ha co-diretto il lavoro, afferma che la ricerca potrebbe puntare verso nuove tecniche di produzione per materiali ad alte prestazioni.

"Questo lavoro si occupa di ciò che è noto come materiale gradiente, significa un materiale in cui c'è qualche variazione graduale nella sua composizione interna, " Gao ha detto. "I materiali sfumati sono un'area di ricerca calda perché spesso hanno proprietà desiderabili rispetto ai materiali omogenei. In questo caso, volevamo vedere se un gradiente nella spaziatura dei nanotwin produceva nuove proprietà".

Gao e i suoi colleghi hanno già dimostrato che i nanogemelli stessi possono migliorare le prestazioni dei materiali. Nanotwinned rame, Per esempio, ha dimostrato di essere significativamente più resistente del rame standard, con una resistenza alla fatica insolitamente elevata. Ma questo è il primo studio a testare gli effetti della spaziatura variabile dei nanotwin.

Gao e i suoi colleghi hanno creato campioni di rame utilizzando quattro componenti distinti, ciascuno con una diversa distanza tra i confini dei nanotwin. Spaziature che vanno da 29 nanometri tra i confini a 72 nanometri. I campioni di rame erano costituiti da diverse combinazioni dei quattro componenti disposti in diversi ordini lungo lo spessore del campione. I ricercatori hanno quindi testato la forza di ciascun campione composito, così come la forza di ciascuno dei quattro componenti.

I test hanno mostrato che tutti i compositi erano più resistenti della resistenza media dei quattro componenti da cui erano realizzati. Sorprendentemente, uno dei compositi era in realtà più forte del più forte dei suoi componenti costitutivi.

"Per fare un'analogia, pensiamo che una catena sia forte solo quanto il suo anello più debole, " disse Gao. "Ma qui, abbiamo una situazione in cui la nostra catena è in realtà più forte del suo anello più forte, il che è davvero sorprendente."

Altri test hanno mostrato che i compositi avevano anche tassi di incrudimento più elevati rispetto alla media dei loro componenti costitutivi.

Per comprendere il meccanismo alla base di questi aumenti delle prestazioni, i ricercatori hanno utilizzato simulazioni al computer della struttura atomica dei loro campioni sotto sforzo. A livello atomico, i metalli rispondono alla tensione attraverso il movimento delle dislocazioni, difetti di linea nella struttura cristallina in cui gli atomi vengono spinti fuori posto. Il modo in cui queste dislocazioni crescono e interagiscono tra loro è ciò che determina la forza di un metallo.

Le simulazioni hanno rivelato che la densità delle dislocazioni è molto più alta nel rame gradiente che in un metallo normale.

"Abbiamo trovato un tipo unico di dislocazione che chiamiamo fasci di dislocazioni concentrate, che portano a dislocazioni di un ordine di grandezza più dense del normale, " Gao ha detto. "Questo tipo di dislocazione non si verifica in altri materiali ed è per questo che questo gradiente di rame è così forte".

Gao ha affermato che mentre il team di ricerca ha utilizzato il rame per questo studio, i nanogemelli possono essere prodotti anche in altri metalli. Quindi è possibile che i gradienti nanotwin possano migliorare le proprietà di altri metalli.

"Speriamo che questi risultati motiveranno le persone a sperimentare con gradienti gemelli in altri tipi di materiali, " disse Gao.