La lega ferro-oro riceve critiche
Le leghe metalliche costituite da cristalli su scala nanometrica sono molto più resistenti e dure rispetto alle loro controparti più grandi. I vantaggi di queste «nano-leghe» sono limitati dal fatto che la loro struttura nanocristallina si rompe a temperature relativamente elevate. Il progetto TheSBIE, finanziato dall’UE, ha sviluppato una lega ferro-oro che mantiene la sua struttura nanocristallina a temperature superiori a 1 000 °C, vicino al punto di fusione dell’oro.
Grandi problemi con minuscoli cristalli
I metalli composti da cristalliti sono generalmente instabili alle alte temperature che vengono abitualmente impiegate nella fabbricazione e lavorazione dei metalli. I cristalliti possono crescere e fondersi insieme, provocando l’ammorbidimento dei metalli, eventualità non auspicabile. «I cristalliti vicini hanno orientamenti diversi, il che porta alla formazione di un bordo di grano tra di loro. Questa interfaccia è disordinata soprattutto a temperature elevate, il che determina la creazione di ampie aree relativamente aperte a livello strutturale tra i cristalliti», spiega Dor Amram, coordinatore di TheSBIE. Pertanto, gli atomi che occupano il bordo di grano si trovano in uno stato energetico più elevato del solito; idealmente, preferirebbero comprimersi all’interno dei cristalliti piuttosto che nelle loro interfacce. Questa energia in eccesso deriva dal cristallo che si adopera per espellere i bordi di grano. Il risultato è che i grani tendono a crescere, teoricamente fino a raggiungere le dimensioni di un singolo cristallo.
Un nuovo approccio termodinamico per ridurre l’energia in eccesso
Per superare i problemi fondamentali di stabilità delle leghe nanocristalline a temperature elevate, i ricercatori del progetto hanno utilizzato un approccio chiamato «stabilizzazione termodinamica mediante ingegneria di interfaccia» che si basa sulla segregazione(si apre in una nuova finestra). Amram spiega il principio alla base del concetto: «La segregazione di un soluto a bordi di grano produce una sezione di materiale con una composizione discreta e un proprio insieme di proprietà che possono avere un impatto positivo o negativo sulle proprietà complessive del materiale. È importante sottolineare che queste “zone” con una concentrazione di soluto aumentata (o diminuita) possono ridurre l’energia in eccesso dei bordi di grano in modo che il cristallo non “desideri” più rimuoverle. La forza trainante per la crescita del grano diventa zero e la lega nanocristallina è termicamente stabile». «I nostri risultati sfidano la saggezza dei libri di testo che associa l’accelerazione della crescita del grano e la riduzione della forza della lega nanocristallina con l’aumento delle temperature. Le granulometrie che diminuiscono a temperature elevate aprono un mondo di possibilità nella progettazione dei materiali, soprattutto per le applicazioni che richiedono materiali ad alta resistenza a temperature elevate», aggiunge Amram.
Un’alternativa migliore alla stabilizzazione cinetica
Il meccanismo che regola la stabilità termica dei materiali nanocristallini non è solo termodinamico, ma anche cinetico (come già risaputo). La stabilizzazione cinetica dei nanocristallini comporta la dispersione di particelle secondarie di fase diversa nella lega. Queste particelle fungono da «ancore», ritardando o impedendo il movimento del bordo di grano. Questo approccio offre pochi vantaggi in quanto non affronta la forza trainante del sistema per la crescita del bordo di grano. «È proprio come lanciare dei bastoni sotto le ruote. Il materiale alla fine troverà la sua strada per aumentare la dimensione del bordo di grano», afferma Amram. I risultati del progetto mettono in discussione la ricerca fondamentale sui bordi di grano nei materiali nanocristallini. «Quello dei bordi di grano aventi energia zero (o negativa) è un argomento convergente e controverso nella comunità della scienza dei materiali. Il lavoro teorico e le simulazioni possono essere in contrasto con i nostri risultati, ma abbiamo dimostrato a livello sperimentale che questo è effettivamente possibile», conclude Amram.
