Riassunto:
Un gruppo di ricerca internazionale ha scoperto che due leghe sperimentali a base di niobio-titanio possono ancora mantenere una resistenza alle cricche estremamente elevata in ambienti a temperature estremamente basse, prossime allo zero assoluto. Questa scoperta rompe le conoscenze di lunga data sull’infragilimento dei metalli a bassa temperatura nel campo della scienza dei materiali e apre una nuova direzione per lo sviluppo di materiali più affidabili per futuri dispositivi di energia di fusione, apparecchiature di calcolo quantistico, veicoli spaziali e infrastrutture per l’energia dell’idrogeno.
La maggior parte dei metalli diventa più resistente quando le temperature scendono, ma diventano anche più suscettibili alla rottura. Ciò è particolarmente vero per i metalli con struttura cubica a corpo centrato come ferro, tungsteno e cromo. Quando le temperature scendono a livelli estremamente bassi, le sollecitazioni che altrimenti potrebbero essere assorbite attraverso flessioni o deformazioni spesso si trasformano in fratture improvvise.
La ragione importante di questo fenomeno è che l'attività di dislocazione all'interno del metallo è limitata. Le lussazioni sono difetti lineari nelle strutture cristalline che aiutano i metalli a deformarsi plasticamente quando esposti a forze esterne. Tuttavia, man mano che la temperatura continua a diminuire, queste dislocazioni diventano sempre più difficili da spostare, facendo sì che il materiale perda la sua capacità di alleviare lo stress e diventi più fragile.
Un gruppo di ricerca guidato congiuntamente dall'Università della California, Berkeley, dal Lawrence Berkeley National Laboratory e dall'Università di Oxford nel Regno Unito ha scoperto che due leghe sperimentali a base di niobio-titanio possono evitare questo problema. Anche in un ambiente di 20 Kelvin, ovvero circa meno 253 gradi Celsius (meno 424 gradi Fahrenheit), mostrano ancora una forte resistenza alla fessurazione e non vi è alcuna transizione fragile misurabile alla temperatura più bassa testata sperimentalmente.
Per studiare il comportamento di questi materiali a temperature estremamente basse, gli scienziati hanno condotto esperimenti utilizzando la struttura Engin-X presso l'ISIS Neutron and Muon Source nell'Oxfordshire, nel Regno Unito. Hanno usato l’elio per raffreddare il campione a circa meno 253 gradi Celsius, quindi hanno eseguito test di trazione biassiale sul campione sotto irradiazione con fasci di neutroni per misurare con precisione il carico che il materiale poteva sopportare e quanto si allungava prima di rompersi.
Ulteriori osservazioni al microscopio elettronico hanno rivelato il segreto della tenacità del materiale. I ricercatori hanno scoperto che un cambiamento strutturale chiamato “nanotwins” si verifica vicino alle crepe e all’interno della lega. Durante questo processo, aree locali del cristallo vengono riorganizzate per formare una struttura simmetrica a specchio, accompagnata da una trasformazione locale della struttura cristallina.
Quando queste strutture appena formate entrano in contatto con i bordi dei grani adiacenti, generano aree locali ad alto stress e inducono ulteriormente la generazione di nuovi difetti cristallini. I nuovi difetti possono continuare a svolgere il compito di deformazione plastica, in modo che il materiale possa continuare a deformarsi quando sottoposto a stress invece di rompersi direttamente.
I ricercatori hanno paragonato questo meccanismo alla risposta di emergenza della rete stradale durante una tempesta di neve. Quando le strade esistenti saranno bloccate dal ghiaccio e dalla neve, il sistema di trasporto aprirà nuove rotte. Allo stesso modo, quando il movimento convenzionale delle lussazioni è limitato a temperature estremamente basse, la formazione di nanogemelli crea nuovi canali di deformazione che mantengono la tenacità del materiale.
Il team di ricerca ha affermato che questo meccanismo microscopico precedentemente sottovalutato rivela un nuovo modo di resistere all'infragilimento dovuto alle basse temperature. In passato, la comunità ingegneristica ha sempre creduto che i metalli cubici a corpo centrato fossero difficili da evitare l'infragilimento a temperature ultra-basse. Tuttavia, questo studio mostra che progettando razionalmente la composizione e la microstruttura della lega, il materiale può cambiare attivamente le modalità di deformazione e continuare ad assorbire e disperdere lo stress.
I ricercatori ritengono che questa scoperta dovrebbe promuovere in futuro lo sviluppo di una nuova generazione di materiali tecnici a bassa temperatura. Nei reattori a fusione, nei sistemi di stoccaggio e trasporto dell’idrogeno liquido, nei rilevatori dello spazio profondo e nelle apparecchiature di tecnologia quantistica, molti componenti chiave devono funzionare a temperature estremamente basse per lungo tempo. I materiali in grado di combinare elevata resistenza e tenacità miglioreranno significativamente l’affidabilità e la sicurezza di questi sistemi tecnologici avanzati.
Risultati rilevanti della ricerca sono stati pubblicati sulla rivista accademica internazionale "Nature". Il gruppo di ricerca ha affermato che il prossimo passo sarà esplorare se questo meccanismo possa essere esteso a più sistemi metallici e progettare nuove leghe tecniche adatte ad ambienti più difficili.
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