Estremamente forte e resistente al calore
I ricercatori del Fare all'ETH hanno prodotto un film sottile e colonne estremamente fini da una nuova classe di leghe composte da diversi elementi finemente distribuiti. Il materiale può resistere a pressioni e temperature estreme.
Da oltre 4000 anni l'uomo produce leghe metalliche per ottenere materiali con le proprietà desiderate. Tradizionalmente, queste leghe sono costituite da un metallo principale in cui vengono mescolate quantità minori di uno o più elementi in un processo di fusione. Il bronzo, ad esempio, è composto principalmente da rame, con una percentuale minore di stagno. ? molto più resistente del rame puro o dello stagno puro.
La composizione delle cosiddette leghe ad alta entropia è diversa. Questa nuova classe di leghe è molto popolare tra gli scienziati dei materiali da alcuni anni, in quanto hanno un'elevata forza e sono resistenti alla temperatura e alla corrosione. Le leghe ad alta entropia sono solitamente composte da quattro o cinque elementi metallici. I ricercatori guidati da Ralph Spolenak, professore di nanometallurgia, hanno prodotto una pellicola sottile tre micrometri di una lega ad alta entropia e vi hanno fresato una struttura di colonne con un diametro compreso tra 100 nanometri e un micrometro. La lega è composta da proporzioni uguali degli elementi niobio, molibdeno, tantalio e tungsteno.
La struttura fine modifica le proprietà
Come si è scoperto, questi "micro-pilastri" fatti di lega ad alta entropia hanno proprietà molto speciali: sono dieci volte più resistenti di un blocco dello stesso materiale. Inoltre, le colonne possono essere compresse fino a circa un terzo della loro lunghezza sotto alta pressione senza diventare fragili o rompersi - gli scienziati chiamano questa malleabilità duttilità. Infine, il materiale è anche estremamente resistente alle temperature: ? sopravvissuto per tre giorni a 1100 gradi Celsius senza alcun cambiamento significativo della sua struttura esterna o interna - in netto contrasto con il tungsteno puro, che gli scienziati hanno sottoposto al trattamento termico come controllo. Dopo il trattamento termico, i micropilastri realizzati con la lega ad alta entropia hanno ottenuto risultati migliori in termini di resistenza e duttilità rispetto a quelli realizzati con tungsteno puro. Questo nonostante la lega ad alta entropia abbia in genere un punto di fusione molto più basso del tungsteno puro (circa 2900 contro 3400 gradi).
Gli scienziati hanno prodotto il film di tre micrometri di spessore utilizzando lo sputtering a catodo magnetronico, un processo di rivestimento spesso utilizzato nella microelettronica. Atomizzando gli atomi dei quattro elementi citati e spruzzandoli simultaneamente su un materiale portante, questa tecnica è stata utilizzata per la prima volta per produrre una lega ad alta entropia. Utilizzando la tecnica del fascio ionico fine (FIB), gli scienziati hanno esposto i microcilindri sulla superficie della pellicola.
Materiale composto da minuscoli cristalli individuali
Il materiale dei ricercatori del Fare all'ETH è notevole non solo per la sua struttura colonnare estremamente delicata, ma anche per la sua struttura cristallina interna. Come la maggior parte dei corpi cristallini, anche questo materiale è costituito da un gran numero di piccoli cristalli individuali. La particolarità della lega è che questi singoli cristalli sono minuscoli: in gergo, il materiale viene definito nanocristallino. "Sebbene i materiali nanocristallini abbiano molte proprietà desiderabili, spesso presentano anche degli svantaggi", spiega Yu Zou, dottorando del gruppo di Spolenak e primo autore dello studio ora pubblicato sulla rivista "Nature Communications". "Ad esempio, questi materiali non sono generalmente resistenti alla temperatura, poiché le dimensioni dei singoli cristalli aumentano quando vengono riscaldati, modificando le proprietà del materiale".
Secondo gli scienziati, il fatto che la lega ad alta entropia sia estremamente resistente alla temperatura potrebbe avere a che fare con la distribuzione atomica relativamente disordinata degli elementi al suo interno. I ricercatori sospettano che il disordine nelle interfacce interne dei singoli cristalli contribuisca in particolare al fatto che i singoli cristalli delle leghe ad alta entropia hanno una minore tendenza a crescere quando vengono riscaldati rispetto ad altri materiali. Gli scienziati vorrebbero verificare se questa ipotesi è corretta in un ulteriore lavoro di ricerca in cui analizzeranno la distribuzione atomica degli elementi nel materiale.
Il nuovo materiale è particolarmente interessante per le applicazioni che prevedono alte pressioni e alte temperature, ad esempio per la costruzione di sensori che devono funzionare in queste condizioni estreme, spiega Zou.
Riferimento alla letteratura
Zou Y, Ma H, Spolenak R: Leghe ultrarobuste duttili e stabili ad alta entropia su piccola scala. Nature Communications, 10 luglio 2015, doi: lato esterno10.1038/ncomms8748