non puoi vederli, ma la maggior parte dei metalli intorno a te:monete, argenteria, anche le travi d'acciaio che reggono edifici e cavalcavia sono costituite da minuscoli granelli metallici. Sotto un microscopio abbastanza potente, puoi vedere cristalli ad incastro che sembrano un piano di lavoro in granito.

È noto da tempo agli scienziati dei materiali che i metalli diventano più forti man mano che le dimensioni dei grani che compongono il metallo si riducono, fino a un certo punto. Se i grani sono più piccoli di 10 nanometri di diametro i materiali sono più deboli perché, si pensava, scivolano l'uno sull'altro come la sabbia che scivola giù da una duna. La forza dei metalli aveva un limite.

Ma gli esperimenti condotti dall'ex studioso postdottorato dell'Università dello Utah Xiaoling Zhou, ora alla Princeton University, professore associato di geologia Lowell Miyagi, e Bin Chen al Center for High Pressure Science and Technology Advanced Research di Shanghai, Cina, mostrano che non è sempre così:in campioni di nichel con diametri dei grani di appena 3 nanometri, e ad alte pressioni, la resistenza dei campioni ha continuato ad aumentare con granulometrie più piccole.

Il risultato, Zhou e Miyagi dicono, è una nuova comprensione di come i singoli atomi dei grani metallici interagiscono tra loro, così come un modo per usare quella fisica per ottenere metalli super-forti. Il loro studio, condotto con i colleghi dell'Università della California, Berkeley e nelle università in Cina, è pubblicato in Natura .

"I nostri risultati suggeriscono una possibile strategia per produrre metalli ultraresistenti, " Zhou dice. "In passato, i ricercatori credevano che la dimensione del grano più forte fosse di circa 10-15 nanometri. Ma ora abbiamo scoperto che potremmo produrre metalli più forti a meno di 10 nanometri".

Spingendo oltre Hall-Petch

Per la maggior parte degli oggetti metallici, Miyagi dice, le dimensioni dei grani di metallo sono dell'ordine di poche centinaia di micrometri, circa il diametro di un capello umano. "Le posate di fascia alta spesso avranno un taglio più fine, e più omogeneo, struttura della grana che può consentire di ottenere un bordo migliore, " lui dice.

La relazione precedentemente compresa tra resistenza del metallo e dimensione dei grani è stata chiamata relazione di Hall-Petch. La resistenza del metallo è aumentata man mano che la dimensione del grano è diminuita, secondo Hall-Petch, fino a un limite di 10-15 nanometri. È un diametro di soli quattro o sei filamenti di DNA. Le dimensioni del grano al di sotto di quel limite non erano così forti. Quindi per massimizzare la forza, i metallurgisti mirerebbero alle granulometrie effettive più piccole.

"Il raffinamento della granulometria è un buon approccio per migliorare la forza, " Zhou dice. "Quindi è stato abbastanza frustrante, nel passato, per scoprire che questo approccio di raffinamento della granulometria non funziona più al di sotto di una granulometria critica."

La spiegazione dell'indebolimento al di sotto dei 10 nanometri ha a che fare con il modo in cui le superfici dei grani interagiscono. Le superfici dei grani hanno una struttura atomica diversa rispetto agli interni, dice Miyagi. Finché i grani sono tenuti insieme dal potere di attrito, il metallo manterrebbe la forza. Ma a granulometrie piccole, si pensava, i grani semplicemente scivolerebbero l'uno sull'altro sotto sforzo, portando a un metallo debole.

Le limitazioni tecniche in precedenza impedivano esperimenti diretti sui nanograni, anche se, limitando la comprensione di come si sono comportati i grani su scala nanometrica e se potrebbe esserci ancora una forza non sfruttata al di sotto del limite di Hall-Petch. "Così abbiamo progettato il nostro studio per misurare la forza dei nanometalli, " dice Zhou.

Sotto pressione

I ricercatori hanno testato campioni di nichel, un materiale disponibile in un'ampia gamma di dimensioni di nanograni, fino a tre nanometri. I loro esperimenti prevedevano il posizionamento di campioni di varie dimensioni dei grani sotto intense pressioni in una cella a incudine di diamante e l'uso della diffrazione dei raggi X per osservare cosa stava accadendo su scala nanometrica in ciascun campione.

"Se hai mai giocato con una molla, probabilmente l'hai tirato abbastanza forte da rovinarlo in modo che non faccia quello che dovrebbe fare, " Miyagi dice. "Questo è fondamentalmente ciò che stiamo misurando qui; quanto forte possiamo spingere su questo nichel fino a deformarlo oltre il punto in cui è in grado di riprendersi".

La resistenza ha continuato ad aumentare fino alla granulometria più piccola disponibile. Il campione da 3 nm ha resistito a una forza di 4,2 gigapascal (circa la stessa forza di dieci 10, 000 libbre. elefanti in equilibrio su un unico tacco alto) prima di deformarsi irreversibilmente. È dieci volte più resistente del nichel con una granulometria commerciale.

Non è che la relazione Hall-Petch si sia interrotta, Miyagi dice, ma che il modo in cui i grani interagivano era diverso nelle condizioni sperimentali. L'alta pressione ha probabilmente superato gli effetti di scorrimento del grano.

"Se metti insieme due grani molto forte, " lui dice, "è difficile per loro scivolare l'uno sull'altro perché l'attrito tra i grani diventa grande, e puoi sopprimere questi meccanismi di scorrimento del confine del grano che risultano responsabili di questo indebolimento".

Quando lo scorrimento del bordo del grano è stato soppresso a dimensioni dei grani inferiori a 20 nm, i ricercatori hanno osservato un nuovo meccanismo di deformazione su scala atomica che ha portato a un estremo rafforzamento nei campioni a grana più fine.

Possibilità ultra forti

Zhou dice che uno dei progressi di questo studio è nel loro metodo per misurare la forza dei materiali su scala nanometrica in un modo che non è stato fatto prima.

Miyagi afferma che un altro progresso è un nuovo modo di pensare al rafforzamento dei metalli, progettando le loro superfici dei grani per sopprimere lo scorrimento dei grani.

"Non abbiamo molte applicazioni, industrialmente, di cose in cui le pressioni sono alte come in questi esperimenti, ma mostrando che la pressione è un modo per sopprimere la deformazione dei bordi dei grani, possiamo pensare ad altre strategie per sopprimerla, magari usando microstrutture complicate in cui si hanno forme dei grani che inibiscono lo scorrimento dei grani l'uno sull'altro."