Il modo in cui i metalli si deformano o rispondono alle sollecitazioni esterne è stato ampiamente studiato tra i metallurgisti per secoli. Quando si tratta di metalli convenzionali, quelli cristallini con atomi allineati in schemi ordinati, il processo è abbastanza ben compreso. Ma per la deformazione dei vetri metallici e di altri metalli amorfi, le risposte facili sono state elusive, in particolare quando si tratta di come funzionano le cose su scala nanometrica.

In un nuovo studio, il professor Jan Schroers esamina le stranezze fisiche di come questi metalli si comportano in dimensioni molto piccole:intuizioni che potrebbero portare a nuovi modi di creare vetri metallici. I risultati sono pubblicati su Nature Communications .

Materiali con la resistenza del metallo ma con la flessibilità della plastica, gli occhiali metallici vengono sviluppati per un'ampia gamma di applicazioni:aerospaziale, spaziale, robotica, elettronica di consumo, articoli sportivi e usi biomedici.

Questi materiali devono le loro proprietà alle loro strutture atomiche uniche:quando i vetri metallici si raffreddano da liquido a solido, i loro atomi si sistemano in una disposizione casuale e non cristallizzano come fanno i metalli tradizionali. Ma impedire la cristallizzazione degli atomi è complicato e qualsiasi comprensione del loro funzionamento potrebbe contribuire notevolmente a una produzione più efficiente di vetro metallico.

"Per far avanzare la fabbricazione e l'uso dei metalli amorfi, è necessaria una comprensione fondamentale e completa della loro deformazione dipendente dalle dimensioni e dalla temperatura", scrivono gli autori dello studio.

Negli ultimi decenni è stato accertato che, su scala macroscopica, gli atomi si muovono in massa quando si deformano a temperature che consentono il flusso.

"Si deformano in modo collettivo, quasi come il miele", ha detto Schroers, professore di ingegneria meccanica e scienza dei materiali Robert Higgin. "Vedi tutti questi atomi che si muovono collettivamente insieme."

Ma cosa succede quando i campioni su scala nanometrica si deformano? Utilizzando campioni di rame-zirconio e altri vetri metallici allo stato morbido, il laboratorio Schroers ha deciso di scoprirlo.

"Naijia Liu, la studentessa laureata nel mio laboratorio, ha creato campioni sempre più piccoli e ad un certo punto ha potuto dimostrare che non si deformano più in quel modo", ha detto Schroers. Con dimensioni del campione di 100 nanometri o inferiori, le cose hanno cominciato a deviare dalle regole standard.

Ciò che hanno scoperto è che a queste dimensioni, la composizione chimica dei campioni non cambierebbe mai se gli atomi continuassero a muoversi collettivamente. Quello che è successo invece è che gli atomi si sono mossi individualmente e, a un certo punto, il metallo ha iniziato a deformarsi rapidamente.

"Quindi, se diventino sempre più piccoli, gli atomi non fluiscono più. Ciò che fanno invece è viaggiare individualmente sulla superficie."

Ciò è significativo perché è noto che gli atomi si muovono più velocemente sulla superficie dei materiali cristallini. Pertanto, quanto più piccolo è il campione, tanto maggiore sarà la proporzione del materiale sopra o vicino ad una superficie. Per deformarsi, gli atomi prendono una distanza extra utilizzando un percorso superficiale così veloce da consentire una deformazione generale più rapida. È uno sguardo approfondito su un'area della fisica che presenta ancora molte domande senza risposta.

"Sappiamo essenzialmente tutto sui cristalli e sappiamo essenzialmente tutto sui gas", ha detto Schroers. "Ma nella comunità scientifica, non conosciamo bene lo stato liquido. Le cose si muovono troppo velocemente, quindi i metodi di osservazione sono messi alla prova e poiché l'ordine in un liquido non è periodico, non possiamo ridurre il problema a un'unità più piccola." ."

Il laboratorio di Schroers attualmente si concentra su quali leghe siano più promettenti per la creazione di vetri metallici attraverso questo metodo. "La lega dovrebbe comprendere elementi simili, ma non troppo simili, altrimenti il ​​modello su cui crescono non può essere trasformato in un vetro", ha detto Schroers.

Oltre all'impatto scientifico delle nuove scoperte, ha affermato Schroers, lo studio ha un significato a livello tecnologico. Invece dell’attuale tecnica che evita la cristallizzazione attraverso un raffreddamento molto rapido, questi risultati forniscono ai ricercatori un nuovo metodo per far crescere lentamente materiali metastabili. Questi materiali includono vetri metallici e anche altri che prima non era possibile realizzare con altre tecniche.

Ulteriori informazioni: Naijia Liu et al, Comportamento di deformazione dipendente dalle dimensioni nei metalli amorfi di dimensioni nanometriche che suggerisce la transizione dal trasporto atomico collettivo a quello individuale, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-41582-2

Fornito dall'Università di Yale