Il più leggero possibile e il più forte possibile allo stesso tempo:questi sono i requisiti per i moderni materiali leggeri, come quelli utilizzati nella costruzione di aeromobili e nell'industria automobilistica. Un team di ricerca dell'Helmholtz-Zentrum Geesthacht (HZG) e della Hamburg University of Technology (TUHH) ha ora sviluppato un nuovo approccio alla progettazione dei materiali per i futuri materiali ultraleggeri:montanti metallici di dimensioni nanometriche che formano reti nidificate su livelli gerarchici separati forniscono una forza straordinaria.

Il gruppo di ricerca presenta i suoi risultati nell'attuale numero della rivista Scienza .

Quando la Torre Eiffel fu inaugurata nel 1889, era considerata una meraviglia tecnica. La sua disposizione abile e delicata di travi di ferro grandi e piccole forniva una stabilità straordinaria, ed era di gran lunga l'edificio più alto del mondo all'epoca. Il termine "gerarchico" descrive l'approccio ingegneristico di un array aperto di travi più grandi controventate da quelle più piccole. Ormai da diversi anni, i ricercatori di scienza dei materiali hanno cercato di trasferire questo approccio efficiente alla microstruttura interna dei materiali, Per esempio, utilizzando stampanti 3D in grado di replicare strutture ingegneristiche a traliccio su scala micrometrica.

Finora, le speranze di creare una nuova generazione di materiali da costruzione leggeri estremamente resistenti non sono state soddisfatte. Uno dei motivi:"Una stampante 3D può stampare solo un massimo di circa 10, 000 raggi, e ci vorranno ore, " afferma il professor Jörg Weißmüller dell'Istituto di meccanica dei materiali presso HZG, coautore della presente pubblicazione. "Per le applicazioni pratiche, questa non è davvero un'opzione praticabile."

corrodendo l'argento

Tuttavia, il suo team sta perseguendo un obiettivo ancora più ambizioso:se i fasci potessero essere rafforzati riducendo le dimensioni a pochi nanometri di diametro, potrebbero fornire la base per un nuovo tipo di materiale, eccezionalmente leggero, e allo stesso tempo, forte. Però, questo tipo di materiale dovrebbe contenere trilioni di travi, supera di gran lunga la capacità anche della stampante più sofisticata. "Ecco perché dobbiamo indurre la natura a creare questo tipo di materiali per noi, semplicemente per auto-organizzazione, " Il collega di Weißmüller, il dottor Shan Shi, autore principale dello studio, spiega.

Come inizio, il team ha utilizzato una lega al 93% di argento e al 7% di oro. Questa lega viene immersa in acido solforico diluito, sciogliendo circa la metà dell'argento. Di conseguenza, il materiale rimanente si riorganizza, formando una delicata rete di fasci su scala nanometrica. in seguito, il materiale subisce un trattamento termico a diverse centinaia di gradi. "Questo rende la rete grossolana fino a una dimensione del raggio di 150 nanometri mantenendo l'architettura originale, "Shi spiega.

Durante l'ultimo passaggio, l'acido è usato per lavare via il resto dell'argento, lasciando solo fasci d'oro con una dimensione dei pori di 15 nanometri in media. Il risultato è un materiale strutturato gerarchicamente con due dimensioni del fascio nettamente diverse, non diversamente dalla Torre Eiffel. Grazie alla sua struttura di rete aperta, questo nuovo materiale è composto dall'80 al 90% di aria, dandogli una densità solo dal 10 al 20% del metallo solido.

Incredibilmente leggero, incredibilmente forte

Il gruppo di ricerca ha quindi testato le proprietà meccaniche dei loro campioni di dimensioni millimetriche. "In considerazione della bassa densità di questo materiale, mostra valori eccezionalmente elevati per parametri meccanici chiave come resistenza e modulo elastico, " Dice Jörg Weißmüller. "Abbiamo rimosso gran parte della massa e lasciato molto poco, ma il materiale è molto più forte di quello che è stato lo stato dell'arte fino ad ora." Questo, Egli ha detto, dimostra per la prima volta che una struttura gerarchica può essere vantaggiosa non solo per strutture ingegneristiche macroscopiche come la Torre Eiffel, ma anche per materiali di rete leggeri.

Il nuovo materiale non è ancora adatto per applicazioni in costruzioni leggere:l'oro è semplicemente troppo costoso, troppo pesante e troppo morbido per quello scopo. Ancora, il nuovo approccio alla progettazione dei materiali HZG potrebbe plausibilmente essere trasferito ad altri, metalli tecnologicamente più rilevanti come l'alluminio, magnesio o titanio. I ricercatori dovranno quindi affrontare un'altra sfida:finora, sono stati in grado di produrre solo piccoli, campioni di dimensioni millimetriche. "Ma sembra del tutto fattibile realizzare fili o addirittura interi fogli di metallo con il nostro processo, " dice Weißmüller. "A quel punto, il materiale diventerà interessante in scenari di vita reale, Per esempio, in nuovi concetti per veicoli più leggeri e quindi più efficienti dal punto di vista energetico."