Il titanio è resistente e leggero, vantando il più alto rapporto resistenza/peso di qualsiasi metallo strutturale. Ma lavorarlo mantenendo un buon equilibrio tra resistenza e duttilità, la capacità di un metallo di essere estratto senza rompersi, è impegnativo e costoso. Di conseguenza, il titanio è stato relegato a usi di nicchia in settori selezionati.

Ora, come riportato in un recente studio pubblicato sulla rivista Scienza , i ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'Energia hanno scoperto un nuovo e pratico percorso da seguire.

Il team ha scoperto che potrebbero utilizzare una tecnica chiamata crio-forgiatura per manipolare il titanio puro su una scala di un miliardesimo di metro (un nanometro) a temperature ultra basse per produrre titanio "nanotwinned" extra forte senza sacrificare la sua duttilità .

"Questo studio è la prima volta che qualcuno ha prodotto una struttura nanogemellata pura in materiale sfuso", ha affermato Andrew Minor, capo del progetto dello studio e direttore del National Center for Electron presso la Molecular Foundry, una struttura per utenti di nanoscienza al Berkeley Lab. "Con il titanio nanotwinned, non dobbiamo più scegliere tra resistenza e duttilità, ma possiamo ottenere entrambe le cose."

Le modifiche su piccola scala hanno un impatto notevole sulle proprietà

Le proprietà meccaniche dei metalli dipendono in parte dai loro grani:minuscole aree cristalline individuali di schemi atomici ripetuti che formano la struttura interna del materiale. I confini tra i grani, dove il modello cambia, rafforzano i metalli impedendo ai difetti noti come dislocazioni di spostarsi e indebolendo la struttura del materiale. Immagina i grani come strade e i confini del grano come semafori che impediscono il passaggio di "macchine" atomiche

Un modo per rafforzare un metallo è semplicemente ridurre le dimensioni dei suoi grani per creare più confini forgiandolo, comprimendo il materiale ad alte temperature o anche a temperatura ambiente rotolandolo o martellandolo. Tuttavia, questo tipo di lavorazione spesso va a scapito della duttilità:la struttura interna si rompe rendendola soggetta a frattura. Le "strade" di grano più piccole e l'aumento dei "semafori" portano a un accumulo di traffico atomico e rompono il materiale.

"La forza di un materiale è normalmente correlata alla dimensione dei grani interni:più piccoli sono, meglio è", ha affermato Minor, che è anche professore di scienza dei materiali e ingegneria alla UC Berkeley. "Ma l'elevata resistenza e duttilità sono generalmente proprietà che si escludono a vicenda."

Entra in nanogemelli. I nanotwin sono un tipo specifico di disposizione atomica in cui i minuscoli confini nella struttura cristallina si allineano simmetricamente, come immagini speculari l'una dell'altra. Di nuovo sulle strade atomiche, i semafori sulle "strade" del grano si trasformano in dossi con una struttura nanogemellata, che facilita il movimento degli atomi senza l'accumulo di stress pur mantenendo una maggiore resistenza.

Mettere il gemello in titanio

I nanomateriali non sono nuovi. Tuttavia, realizzarli in genere richiede tecniche specializzate che possono essere costose. Queste tecniche hanno funzionato per un insieme selezionato di metalli come il rame e sono in genere utilizzate solo per realizzare film sottili. Inoltre, la maggior parte delle volte le proprietà del film sottile non si traducono in materiali sfusi.

Per creare il titanio nanogemellato, il team di ricerca ha utilizzato una tecnica semplice, la crioforgiatura, che manipola la struttura del metallo a temperature estremamente basse. La tecnica inizia con un cubo di titanio purissimo (più del 99,95%) posto in azoto liquido a meno 321 gradi Fahrenheit. Mentre il cubo è sommerso, la compressione viene applicata a ciascun asse del cubo. In queste condizioni, la struttura del materiale inizia a formare confini nanotwin. Il cubo viene successivamente riscaldato a 750 gradi Fahrenheit per rimuovere eventuali difetti strutturali che si sono formati tra i confini dei gemelli.

I ricercatori hanno sottoposto il materiale appena formato a una serie di stress test e hanno utilizzato i microscopi elettronici della Molecular Foundry per scoprire l'origine delle sue proprietà uniche. Durante questi test, hanno scoperto che il titanio nanogemellato aveva una migliore formabilità perché ha la capacità sia di formare nuovi confini di nanogemelli sia di annullare i confini precedentemente formati, entrambi i quali aiutano con la deformazione. Hanno testato il materiale a temperature estreme fino a 1.112 gradi Fahrenheit, calde come lava che scorre, e hanno scoperto che ha mantenuto la sua struttura e le sue proprietà, dimostrando la versatilità del materiale.

A temperature molto basse, il titanio nanogemellato è in grado di resistere a sollecitazioni maggiori rispetto al titanio normale, il che è l'opposto di ciò che generalmente accade per la maggior parte dei metalli:alle basse temperature, la maggior parte dei materiali diventa più fragile.

Le dimensioni e il numero di queste strutture nanotwin possono modificare le caratteristiche del metallo.

Nel caso del titanio, i ricercatori hanno scoperto che il nanotwinning raddoppiava la forza del metallo e ne aumentava la duttilità del 30% a temperatura ambiente. A temperature bassissime, il miglioramento è stato ancora più drammatico:il titanio nanogemellato è stato in grado di raddoppiare la sua lunghezza prima di fratturarsi.

Il titanio nanogemellato ha mantenuto le sue eccellenti proprietà anche a temperature relativamente elevate, dimostrando che queste proprietà non solo persisterebbero nel clima temperato della Baia di San Francisco, ma anche nel freddo estremo dello spazio e vicino al calore intenso di un motore a reazione.

La fabbricazione del titanio nanogettato utilizzando la crioforgiatura è potenzialmente conveniente, scalabile per la produzione commerciale e produce un prodotto facilmente riciclabile. Inoltre, come ha affermato Minor, "Abbiamo mostrato il meccanismo di nanotwinning nel titanio, ma è del tutto possibile che funzioni con altri materiali in cui la duttilità è limitante". Da qui, i ricercatori sperano di prendere il processo che hanno sviluppato per il titanio e determinare se può essere applicato ad altri metalli. + Esplora ulteriormente

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