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May 25, 2023

Quando i materiali diventano resistenti, gli scienziati iniziano a misurare

Resistente sotto stress: questa è una caratteristica utile sia delle persone di cui ti fidi che dei materiali su cui fai affidamento. Vuoi che strutture come ponti o materiali negli aerei siano robuste e improbabili

Resistente sotto stress: questa è una caratteristica utile sia delle persone di cui ti fidi che dei materiali su cui fai affidamento. Vuoi che le strutture come i ponti o i materiali negli aerei siano resistenti e difficilmente si rompano.

Gli scienziati del Lawrence Berkeley National Laboratory e dell'Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell'Energia hanno misurato il materiale più resistente mai registrato: una lega metallica di cromo, cobalto e nichel. Nella misurazione utilizzata dagli scienziati per misurare la tenacità, i telai utilizzati negli aeroplani sono 35 e gli acciai migliori sono circa 100. Invece questo materiale era 500! Inoltre, il materiale diventa più resistente man mano che fa freddo, il che è molto insolito.

La tenacità nei materiali è la combinazione tra la resistenza e la duttilità del materiale e la capacità di piegarsi o allungarsi in risposta allo stress. In quasi tutti i materiali, resistenza e duttilità sono un compromesso. Se ne hai di più dell'uno, hai di meno dell'altro. Questo perché i metalli sono cristalli. Sono costituiti da singole unità che si ripetono ancora e ancora. Queste unità formano un reticolo 3D, come il cubo di Rubik. Le proprietà di resistenza e duttilità dipendono dalle proprietà del reticolo.

Ma ci sono sempre piccoli luoghi in cui le singole unità non sono perfettamente uguali. I fisici chiamano queste imperfezioni difetti. Spesso si trovano ai confini dove le unità si incontrano. Un tipo comune di difetto è chiamato lussazione. È dove la parte imperfetta del reticolo incontra la parte perfetta. Quando si applica una forza a un materiale, le dislocazioni si muovono e il materiale si piega. Quanto più facile è lo spostamento delle dislocazioni, tanto più duttile è il materiale. Al contrario, un materiale è resistente quando sono presenti dei blocchi che impediscono il movimento delle dislocazioni. Hai bisogno di più forza per piegarlo. Tuttavia, ciò lo rende anche più fragile e incline alla rottura.

Questa lega è insolita perché invece di essere un compromesso tra resistenza e duttilità, le ha entrambe in abbondanza. Parte della sua unicità deriva dal fatto che è una lega ad alta entropia. Le leghe sono miscele di metalli. Hanno le proprietà dei diversi elementi nella miscela. La maggior parte delle leghe sono costituite principalmente da un elemento con l'aggiunta di una piccola quantità di un altro. Ma le leghe ad alta entropia hanno una miscela uguale di ciascun elemento. Ciò conferisce loro resistenza e duttilità molto elevate sotto stress. Anche all'interno di questo gruppo, questa particolare lega è distinta. Ha tre diversi ostacoli alla dislocazione che gli conferiscono un mix unico di proprietà.

Anche se gli scienziati dei materiali hanno sviluppato leghe ad alta entropia 20 anni fa, solo di recente abbiamo avuto la tecnologia per testare esattamente quanto sono buone. Quasi un decennio fa, gli scienziati del Berkeley Lab hanno portato questo materiale fino a -321 F. Anche se volevano testarlo a temperature più basse, la tecnologia semplicemente non era disponibile. L'anno scorso, il team lo ha testato alla temperatura dell'elio liquido: ovvero -424 F! Inoltre, la nuova tecnologia del microscopio ha permesso loro di esaminare i diversi cristalli e i difetti fino alla larghezza di pochi atomi.

Questo materiale non verrà utilizzato nelle applicazioni a breve. Ci vuole molto tempo per perfezionare e testare i materiali prima di utilizzarli su aerei o ponti. Ma misurare e comprendere questo materiale ci avvicina al suo utilizzo, soprattutto in ambienti estremi come lo spazio profondo. Inoltre, aiuta gli scienziati a capire come produrre materiali con proprietà simili a partire da elementi più abbondanti e più economici.