Gli esseri umani hanno raffreddato miscele di metalli da liquido a solido per migliaia di anni. Ma sorprendentemente, non si sa molto di ciò che accade esattamente durante il processo di solidificazione. Particolarmente sconcertante è la solidificazione degli eutettici, che sono miscele di due o più fasi solide.

Ashwin Shahani, un assistente professore di scienza e ingegneria dei materiali presso l'Università del Michigan, sta lavorando per risolvere il mistero della solidificazione eutettica, e la sua ricerca ha rivelato un universo intricato e bellissimo di aste su nanoscala, lamiere e spirali che si formano spontaneamente nel raffreddamento di leghe metalliche.

Ci siamo seduti di recente per parlare con lui del suo ultimo articolo, "Cristallizzazione in più fasi di eutettici a spirale auto-organizzati, " e come potrebbe portare a una nuova generazione di leghe leggere e prodotti ottici con proprietà superiori ai materiali monolitici.

Cosa ti ha spinto a studiare la solidificazione dei metalli?

Penso che sia una delle imprese più straordinarie della natura. Come possono questi schemi elaborati formarsi spontaneamente da un liquido disordinato? Perché la natura sceglie un modello o una configurazione rispetto a un'altra? Molto è solo curiosità innata e la gioia di condividerla con i miei studenti.

Perché è importante capire come si formano queste strutture su nanoscala?

La struttura su scala nanometrica di un materiale ne modifica le proprietà. Quindi, se possiamo capire perché una data struttura si forma, possiamo progettare un processo produttivo per ricrearlo, o anche cambiarlo per costruire proprietà specifiche che desideriamo. Possiamo realizzare materiali più leggeri, o più forte, o che piegano la luce in un certo modo, Per esempio.

A cosa potrebbero servire quei nuovi materiali?

Un materiale che piega la luce in un certo modo potrebbe essere utilizzato per realizzare un rivestimento invisibile. Potresti progettare un singolo foglio di metallo con proprietà che differiscono lungo la sua superficie, ad esempio un'ala di aeroplano che è più forte in alcuni punti e più leggera in altri. Potresti realizzare componenti automobilistici più leggeri e più efficienti dal punto di vista dei consumi. Le possibilità sono praticamente infinite.

Perché non possiamo realizzare questi materiali utilizzando i metodi di produzione esistenti?

Noi possiamo, ma è estremamente difficile e richiede tempo. Se vogliamo fabbricare un modello a spirale su scala nanometrica, Per esempio, dobbiamo usare la litografia per stampare ogni piccola spirale. Non è pratico per la produzione su larga scala. Ma cosa accadrebbe se potessi far sì che quelle spirali si autoassemblano semplicemente raffreddando il liquido in modo diverso o cambiando leggermente il suo mix di metalli? Ciò renderebbe il processo molto più veloce e scalabile.

Se gli umani hanno usato la solidificazione per così tanto tempo, perchè qualcuno non l'ha già capito?

Perché in passato, questo tipo di ricerca si basava sul sezionamento di un materiale già solidificato e sull'osservazione al microscopio. E questo ti dà una visione molto limitata di come avviene la solidificazione.

Utilizziamo una combinazione unica di tecnologie di imaging multiscala e multimodali per creare un'immagine 3D di ciò che sta accadendo in tempo reale durante il processo di solidificazione. Si tratta di combinare molte diverse tecniche di imaging che possono darci un'immagine coerente dalla scala dei micrometri fino ai singoli atomi.

Quali sono alcune delle sfide nel combinare tutte queste tecnologie?

Una delle sfide più grandi è che le immagini 3D ad alta risoluzione sono così ad alta intensità di dati. Ciò lo rende una sfida per i big data e una sfida per la scienza dei materiali. Ovviamente, solo avere un alto livello di potenza di calcolo è importante, ma abbiamo anche introdotto alcune nuove strategie. Per esempio, abbiamo iniziato a utilizzare algoritmi di apprendimento automatico per esaminare i nostri dati e trovare elementi degni di nota.

Qual è il prossimo passo per questa ricerca?

La maggior parte dei materiali di ingegneria è costituita non solo da due componenti, ma da un cocktail di elementi. Quindi adesso, stiamo guardando come la chimica influenza il processo di solidificazione. Se aggiungo una piccola quantità di un altro metallo alla miscela fusa, come cambia le strutture su scala nanometrica che si formano? È un altro passo verso la comprensione e, in definitiva, il controllo di queste strutture.