le leghe di alluminio hanno proprietà materiali uniche e sono materiali indispensabili nella produzione aeronautica e nella tecnologia spaziale. Con l'aiuto della tomografia elettronica ad alta risoluzione, i ricercatori della TU Graz hanno per la prima volta decodificato meccanismi cruciali per comprendere queste proprietà. I risultati della ricerca sono stati recentemente pubblicati su Materiali della natura .

Nano strutture responsabili della qualità dei materiali

Elementi in lega come scandio e zircone vengono aggiunti alla matrice di alluminio per migliorarne la resistenza, resistenza alla corrosione e saldabilità delle leghe di alluminio. Dopo ulteriori trattamenti, cosiddetti nanoprecipitati, sono formati. Queste sono minuscole particelle rotondeggianti di appena pochi nanometri. La loro forma, la struttura atomica e la "lotta" degli atomi di scandio e zircone per il "posto migliore" nel reticolo cristallino sono determinanti per le proprietà e l'usabilità del materiale.

I ricercatori hanno analizzato queste strutture con l'aiuto del microscopio elettronico a trasmissione a scansione austriaco (ASTEM) presso il Centro di microscopia elettronica di Graz (ZFE). Il dispositivo può produrre mappature di elementi ad alta risoluzione di strutture tridimensionali. "L'analisi tomografica ha fornito un'immagine che, sorprendentemente, non può essere interpretato secondo il precedente livello di conoscenza, " disse Gerald Kothleitner, capo del gruppo di lavoro per la microscopia elettronica a trasmissione analitica presso l'Istituto di microscopia elettronica e nanoanalisi della TU Graz. "Abbiamo rilevato anomalie nelle strutture core-shell generate. Da un lato, abbiamo trovato quantità maggiori di alluminio nei nanoprecipitati di quanto avessimo ipotizzato. D'altra parte, abbiamo scoperto un nucleo arricchito di zirconi e zone di confine tra il nucleo e il guscio con una composizione e una struttura cristallina quasi perfette".

La meccanica quantistica e i metodi Monte Carlo forniscono risposte

Per rintracciare questo fenomeno di autorganizzazione, ricercatori dell'Istituto di Microscopia Elettronica e Nanoanalisi (FELMI) e dell'Istituto di Scienza dei Materiali, Joining and Forming (IMAT) si è affidato a calcoli e simulazioni di meccanica quantistica. Hanno scoperto che il sistema si separa e forma canali atomicamente stretti in cui gli atomi estranei possono diffondersi. Gli atomi che si incontrano bloccano questi canali e stabilizzano il sistema. La dottoranda Angelina Orthacker dà una spiegazione grafica del movimento degli atomi:"Il processo di diffusione può essere paragonato alla formazione di un corridoio di emergenza in un'area urbana ad alto traffico. Il traffico riesce ad organizzarsi in una frazione di secondo per consentire la libera circolazione dei veicoli di emergenza, ma bastano pochi veicoli singoli per bloccare il corridoio di emergenza, impedendone così il funzionamento." E questo è esattamente lo stesso comportamento all'interno delle leghe di alluminio. I "corridoi di emergenza" favoriscono il trasporto di materiale di atomi di scandio e zirconio e anche lievi disturbi fermano questa reazione di trasporto. Il team di ricerca presume che il nuovo le scoperte su questi processi di diffusione giocano un ruolo anche in altre leghe multicomponente, le cui proprietà possono ora essere ulteriormente modificate.