La lega metallica composta da niobio, tantalio, titanio e afnio ha sorpreso gli scienziati dei materiali con la sua notevole resistenza e tenacità sia a temperature estremamente elevate che a temperature molto basse, una combinazione di proprietà che fino ad ora sembrava quasi impossibile da ottenere. In questo contesto, la resistenza è definita come la quantità di forza che un materiale può sopportare prima di essere permanentemente deformato dalla sua forma originale, e la tenacità è la sua resistenza alla frattura (incrinatura). La resilienza della lega alla piegatura e alla frattura in un ampio intervallo di condizioni potrebbe aprire la strada a una nuova classe di materiali per motori di nuova generazione in grado di operare con maggiore efficienza.
Il gruppo di ricerca, guidato da Robert Ritchie presso il Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) e l’UC Berkeley, in collaborazione con i gruppi guidati dai professori Diran Apelian presso l’UC Irvine e Enrique Lavernia presso la Texas A&M University, ha scoperto le sorprendenti proprietà della lega e poi ha compreso come queste derivino dalle interazioni nella struttura atomica. Il loro lavoro è descritto in uno studio recentemente pubblicato sulla rivista Science.
“L’efficienza nella conversione del calore in elettricità o spinta è determinata dalla temperatura a cui il combustibile viene bruciato – più è caldo, meglio è. Tuttavia, la temperatura di esercizio è limitata dai materiali strutturali che devono resistere”, ha affermato l’autore principale David Cook, uno studente di dottorato nel laboratorio di Ritchie. “Abbiamo esaurito la capacità di ottimizzare ulteriormente i materiali che attualmente utilizziamo ad alte temperature e c’è un grande bisogno di materiali metallici innovativi. È in questo contesto che questa lega mostra promesse”.
La lega in questo studio appartiene a una nuova classe di metalli noti come leghe refrattarie ad alta o media entropia (RHEAs/RMEAs). La maggior parte dei metalli che vediamo in applicazioni commerciali o industriali sono leghe composte da un metallo principale mescolato con piccole quantità di altri elementi, ma le RHEAs e le RMEAs sono realizzate mescolando quantità quasi uguali di elementi metallici con temperature di fusione molto elevate, il che conferisce loro proprietà uniche che gli scienziati stanno ancora svelando. Il gruppo di Ritchie sta indagando su queste leghe da diversi anni a causa del loro potenziale per applicazioni ad alta temperatura.
Analisi degli arrangiamenti atomici
Quasi tutte le leghe metalliche sono cristalline, il che significa che gli atomi all’interno del materiale sono disposti in unità ripetitive. Tuttavia, nessun cristallo è perfetto, tutti contengono difetti. Il difetto più prominente che si muove è chiamato dislocazione, che è un piano incompleto di atomi nel cristallo. Quando viene applicata una forza a un metallo, causa il movimento di molte dislocazioni per accomodare il cambiamento di forma.
Ad esempio, quando si piega una graffetta fatta di alluminio, il movimento delle dislocazioni all’interno della graffetta accomoda il cambiamento di forma. Tuttavia, il movimento delle dislocazioni diventa più difficile a temperature più basse e di conseguenza molti materiali diventano fragili a basse temperature perché le dislocazioni non possono muoversi. Questo è il motivo per cui lo scafo d’acciaio del Titanic si è fratturato quando ha colpito un iceberg. Gli elementi con temperature di fusione elevate e le loro leghe portano questo all’estremo, con molti che rimangono fragili fino a temperature di 800°C. Tuttavia, questa RMEA va contro la tendenza, resistendo alla rottura anche a temperature basse come quella dell’azoto liquido (-196°C).
Per comprendere cosa stava accadendo all’interno del metallo straordinario, il co-investigatore Andrew Minor e il suo team hanno analizzato i campioni sollecitati, insieme a campioni di controllo non piegati e non incrinati, utilizzando la microscopia elettronica a trasmissione a quattro dimensioni (4D-STEM) e la microscopia elettronica a trasmissione (STEM) presso il National Center for Electron Microscopy, parte del Molecular Foundry del Berkeley Lab.
I dati della microscopia elettronica hanno rivelato che l’insolita tenacità della lega deriva da un effetto collaterale inaspettato di un raro difetto chiamato banda di piegatura. Le bande di piegatura si formano in un cristallo quando una forza applicata causa il collasso di strisce del cristallo su se stesse e si piegano bruscamente. La direzione in cui il cristallo si piega in queste strisce aumenta la forza che le dislocazioni sentono, causando loro di muoversi più facilmente. A livello macroscopico, questo fenomeno fa sì che il materiale si ammorbidisca (significa che è necessario applicare meno forza al materiale mentre viene deformato). Il team sapeva da ricerche precedenti che le bande di piegatura si formavano facilmente nelle RMEAs, ma supponeva che l’effetto di ammorbidimento avrebbe reso il materiale meno tenace rendendo più facile la diffusione di una crepa attraverso il reticolo. Ma in realtà, questo non è il caso.
“Dimostriamo, per la prima volta, che in presenza di una crepa netta tra gli atomi, le bande di piegatura resistono effettivamente alla propagazione di una crepa distribuendo il danno lontano da essa, prevenendo la frattura e portando a una tenacità alla frattura straordinariamente elevata”, ha affermato Cook.
La lega Nb45Ta25Ti15Hf15 dovrà subire molte più ricerche fondamentali e test di ingegneria prima che qualcosa come una turbina di un aereo a reazione o un ugello di razzo SpaceX sia realizzato con essa, ha detto Ritchie, perché gli ingegneri meccanici giustamente richiedono una profonda comprensione di come i loro materiali si comportano prima di utilizzarli nel mondo reale. Tuttavia, questo studio indica che il metallo ha il potenziale per costruire i motori del futuro.
Questo studio è stato condotto da David H. Cook, Punit Kumar, Madelyn I. Payne, Calvin H. Belcher, Pedro Borges, Wenqing Wang, Flynn Walsh, Zehao Li, Arun Devaraj, Mingwei Zhang, Mark Asta, Andrew M. Minor, Enrique J. Lavernia, Diran Apelian e Robert O. Ritchie, scienziati presso il Berkeley Lab, l’UC Berkeley, il Pacific Northwest National Laboratory e l’UC Irvine, con il finanziamento dell’Ufficio per la Scienza del Dipartimento dell’Energia (DOE). L’analisi sperimentale e computazionale è stata condotta presso il Molecular Foundry e il National Energy Research Scientific Computing Center, entrambi strutture utente dell’Ufficio per la Scienza del DOE.