Scienziati stupiti dal materiale più resistente sulla Terra

Di Lawrence Berkeley National Laboratory, 11 dicembre 2022

Immagini generate al microscopio che mostrano il percorso di una frattura e la conseguente deformazione della struttura cristallina nella lega CrCoNi su scala nanometrica durante le prove di stress a 20 Kelvin (-424 °F). La frattura si sta propagando da sinistra a destra. Credito: Robert Ritchie/Berkeley Lab

A new study reveals the profound properties of a simple metal alloyA mixture of two metallic elements typically used to give greater strength or higher resistance to corrosion." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">lega.

Gli scienziati hanno misurato la più alta tenacità mai registrata, tra tutti i materiali, mentre studiavano una lega metallica composta da cromo, cobalto e nichel (CrCoNi). Non solo il metallo è estremamente duttile – che, nella scienza dei materiali, significa altamente malleabile – e straordinariamente forte (il che significa che resiste alla deformazione permanente), ma la sua forza e duttilità migliorano man mano che si raffredda. Ciò va contro la maggior parte degli altri materiali esistenti.

"Nelle stesse unità, la tenacità di un pezzo di silicio è pari a uno, la tenacità della struttura in alluminio degli aerei passeggeri è di circa 35, e la tenacità di alcuni dei migliori acciai è di circa 100. Quindi, 500, è un numero sconcertante." — Robert Ritchie

Il team, guidato da ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) e dell’Oak Ridge National Laboratory, ha pubblicato uno studio che descrive i loro risultati record sulla rivista Science il 1° dicembre 2022.

"Quando si progettano materiali strutturali, si desidera che siano robusti ma anche duttili e resistenti alla frattura", ha affermato il co-responsabile del progetto Easo George, presidente del governatore per la teoria e lo sviluppo avanzato delle leghe presso l'ORNL e l'Università del Tennessee. "In genere, è un compromesso tra queste proprietà. Ma questo materiale è entrambe le cose e, invece di diventare fragile alle basse temperature, diventa più resistente."

CrCoNi è un sottoinsieme di una classe di metalli chiamati leghe ad alta entropia (HEA). Tutte le leghe in uso oggi contengono un'elevata proporzione di un elemento con quantità inferiori di elementi aggiuntivi aggiunti, ma gli HEA sono costituiti da una miscela uguale di ciascun elemento costituente. Queste ricette atomiche equilibrate sembrano conferire ad alcuni di questi materiali una combinazione straordinariamente elevata di resistenza e duttilità quando sollecitati, che insieme costituiscono quella che viene definita "resistenza". Gli HEA sono stati un'area di ricerca molto discussa fin da quando furono sviluppati per la prima volta, circa 20 anni fa, ma la tecnologia necessaria per spingere i materiali ai loro limiti nei test estremi non era disponibile fino a poco tempo fa.

"The toughness of this material near liquid helium temperatures (20 kelvin, -424 °FahrenheitThe Fahrenheit scale is a temperature scale, named after the German physicist Daniel Gabriel Fahrenheit and based on one he proposed in 1724. In the Fahrenheit temperature scale, the freezing point of water freezes is 32 °F and water boils at 212 °F, a 180 °F separation, as defined at sea level and standard atmospheric pressure. " data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> Fahrenheit) raggiunge i 500 megapascal metri quadrati. Nelle stesse unità, la tenacità di un pezzo di silicio è pari a 1, la struttura in alluminio degli aerei passeggeri è di circa 35, e la tenacità di alcuni dei migliori acciai è di circa 100. Quindi, 500, è un numero sconcertante", ha affermato la ricerca. il co-leader Robert Ritchie, uno scienziato senior della facoltà della divisione di scienze dei materiali del Berkeley Lab e professore di ingegneria di Chua alla UC Berkeley.

Ritchie e George hanno iniziato a sperimentare con CrCoNi e un'altra lega che contiene anche manganese e ferro (CrMnFeCoNi) quasi dieci anni fa. Hanno creato campioni delle leghe, quindi hanno abbassato i materiali alla temperatura dell'azoto liquido (circa 77 Kelvin, o -321 °F) e hanno scoperto una resistenza e una tenacità impressionanti. Volevano immediatamente proseguire il loro lavoro con test a intervalli di temperatura dell'elio liquido, ma trovando strutture che consentissero di sottoporre a test di stress i campioni in un ambiente così freddo e reclutando membri del team con gli strumenti analitici e l'esperienza necessaria per analizzare cosa succede nel materiale a a livello atomico ci sono voluti i successivi 10 anni. Per fortuna, i risultati valevano l’attesa.