Una lega composta da cromo, cobalto e nichel stupisce per resistenza alle fratture e fa impallidire i migliori acciai. Il suo primo impiego potrebbe riguardare il settore aerospaziale e i viaggi nello spazio profondo.

La tenacità più alta mai registrata. Un team guidato da ricercatori della Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) e degli Oak Ridge National Laboratory ha registrato un dato senza precedenti analizzando una lega metallica fatta di cromo, cobalto e nickel (CrCoNi). La notizia è stata diffusa sul sito dei Berkeley Lab, mentre lo studio è stato pubblicato su Science.

Il metallo si è dimostrato "estremamente duttile", ossia altamente malleabile, ma anche incredibilmente resistente a deformazioni permanenti. Inoltre, la sua forza e duttilità migliorano quando viene raffreddato. "Questo è in contrasto con la maggior parte degli altri materiali esistenti", spiegano i ricercatori. "Quando si progettano materiali strutturali, si desidera che siano forti ma anche duttili e resistenti alle fratture", ha affermato il co-responsabile del progetto Easo George. "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".

Il materiale fa parte delle cosiddette leghe ad alta entropia (HEA), costituite da una miscela uguale di ciascun elemento costitutivo. Questo tipo di leghe ricevettero molta attenzione una ventina di anni fa, ma la tecnologia necessaria per spingere i materiali ai loro limiti nei test estremi non era disponibile: adesso lo è diventata. "La tenacità di questo materiale vicino alle temperature dell'elio liquido (20 K, -424 K) arriva fino a 500 megapascal per metro quadrato. Nelle stesse unità, la tenacità di un pezzo di silicio è 1, la struttura in alluminio negli aerei passeggeri è di circa 35 e la tenacità di alcuni dei migliori acciai è di circa 100. Quindi, 500, è un numero sbalorditivo", ha affermato il co-leader della ricerca Robert Ritchie.

Ritchie e George hanno iniziato a sperimentare CrCoNi e un'altra lega che contiene anche manganese e ferro (CrMnFeCoNi) quasi un decennio fa. Hanno creato campioni delle leghe, quindi li hanno raffreddati a temperature tipiche dell'azoto liquido (circa 77 K o -321 F) e scoperto forza e tenacità impressionanti. Volevano proseguire con test a intervalli di temperatura tipici dell'elio liquido, ma hanno dovuto attendere per trovare strutture che consentissero di sottoporre a stress test i campioni in un ambiente così freddo e reclutare personale con gli strumenti analitici e l'esperienza adeguata per analizzare cosa accade nel materiale a livello atomico.

A cosa si deve la tenacità del materiale? È legata alle proprietà fisiche del reticolo che lo compone, a sua volta basato sulle cosiddette celle unitarie, cioè uno schema atomico 3D ripetuto. "Nessun cristallo è perfetto, quindi le celle unitarie in un materiale conterranno inevitabilmente difetti, un esempio importante sono le dislocazioni - confini in cui il reticolo non deformato incontra il reticolo deformato", spiegano i ricercatori.

Quando si applica una forza al materiale, il cambiamento della forma è ottenuto dal movimento delle dislocazioni lungo il reticolo. Più facilmente si muovono le dislocazioni, più morbido è il materiale. Ma se il movimento delle dislocazioni è bloccato da ostacoli sotto forma di irregolarità del reticolo, è necessaria più forza per muovere gli atomi all'interno della dislocazione e il materiale diventa più forte. D'altra parte, gli ostacoli di solito rendono il materiale più fragile, soggetto a crepe.

Usando varie tecniche avanzate, i ricercatori hanno esaminato le strutture reticolari dei campioni di CrCoNi che erano state fratturate a temperatura ambiente e 20 K. Dalle analisi sono riusciti a capire che la tenacità della lega era dovuta a tre ostacoli alle dislocazioni che emergono in un ordine particolare quando viene applicata una forza al materiale.

Anzitutto, il movimento delle dislocazioni porta aree del cristallo a scivolare via da altre aree che si trovano su piani paralleli. Questo movimento sposta strati di celle unitarie in modo che il loro schema non corrisponda più nella direzione perpendicolare al movimento di scivolamento, creando una sorta di ostacolo.

Un'ulteriore forza sul metallo crea un fenomeno chiamato nanotwinning, in cui le aree del reticolo formano una simmetria a specchio con un confine nel mezzo. Infine, se le forze continuano ad agire sul metallo, l'energia immessa nel sistema modifica la disposizione delle celle unitarie stesse, con gli atomi di CrCoNi che passano da un cristallo cubico a facce centrate a un'altra disposizione nota come impaccamento esagonale compatto.

Tutto questo porta al comportamento ravvisato, una scoperta che potrebbe costringere i ricercatori a riconsiderare alcune nozioni base nel campo della metallurgia. Anche la lega CrMnFeCoNi è stata testata a 20 K ma non ha raggiunto la stessa tenacità della più semplice lega CrCoNi.

Il materiale, per la sua composizione, è costoso da creare ma inizialmente potrebbe trovare applicazioni nel settore aerospaziale, dove le rigide temperature dello spazio profondo mettono in crisi altre leghe. I ricercatori stanno analizzando anche leghe costituite da elementi più abbondanti e meno costosi che potrebbero essere indotte ad avere proprietà simili. L'uso nel mondo reale, in ogni caso, sembra molto lontano perché i materiali strutturali possono impiegare molti anni, persino decenni, per essere effettivamente utilizzati.

Duttilità non è malleabilità

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