Il nuovo titanio nanogemellato consente una produzione sostenibile

Gli scienziati della Molecular Foundry del Berkeley Lab hanno utilizzato una tecnica di microscopia elettronica chiamata diffrazione di retrodiffusione di elettroni (EBSD) per visualizzare la struttura del titanio puro con una struttura nanogemellata. Ogni colore rappresenta un orientamento unico dei grani. Le strisce sottili rivelano la struttura nanogemellata prodotta tramite un processo chiamato crioforgiatura. (Credito: Andy Minor/Berkeley Lab)

– Di Giulia Fornaciari

Titanium è resistente e leggero, vantando il più alto rapporto resistenza/peso di qualsiasi metallo strutturale. Ma lavorarlo mantenendo un buon equilibrio tra resistenza e duttilità – la capacità di un metallo di essere estratto senza rompersi – è impegnativo e costoso. Di conseguenza, il titanio è stato relegato a usi di nicchia in settori selezionati.

Ora, come riportato in un recente studio pubblicato sulla rivista Science, i ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento di Energia hanno scoperto un nuovo e pratico percorso da seguire.

Il team ha scoperto che è possibile utilizzare una tecnica chiamata crioforgiatura per manipolare il titanio puro sulla scala di un miliardesimo di metro (un nanometro) a temperature ultra-basse per produrre titanio “nanotwinned” extra resistente senza sacrificare la sua duttilità. .

La nuova tecnica, sviluppata congiuntamente dai ricercatori della Molecular Foundry del Berkeley Lab, è stata descritta in una storia di copertina dell'edizione del 17 settembre della rivista Science. (Per gentile concessione di Science)

"Questo studio è la prima volta che qualcuno produce una struttura nanogemellata pura in materiale sfuso", ha affermato Andrew Minor, responsabile del progetto dello studio e direttore del Centro nazionale per la microscopia elettronica presso la Molecular Foundry, una struttura per utenti di nanoscienze presso il Berkeley Lab. "Con il titanio nanogemellato, non dobbiamo più scegliere tra resistenza e duttilità, ma possiamo invece ottenerle entrambe."

Le proprietà meccaniche dei metalli dipendono in parte dai loro grani: minuscole aree cristalline individuali di schemi atomici ripetuti che formano la struttura interna del materiale. I confini tra i grani, dove il modello cambia, rafforzano i metalli impedendo ai difetti noti come dislocazioni di spostarsi e indebolendo la struttura del materiale. Immaginate i grani come strade e i confini dei grani come semafori che impediscono il passaggio di “automobili” atomiche.

Un modo per rafforzare un metallo è semplicemente ridurre la dimensione dei suoi grani per creare più confini forgiandolo, comprimendo il materiale ad alte temperature o addirittura a temperatura ambiente mediante laminazione o martellamento. Tuttavia, questo tipo di lavorazione spesso va a scapito della duttilità: la struttura interna si rompe rendendola soggetta a fratture. La minore dimensione delle "strade" e l'aumento dei "semafori" portano ad un accumulo atomico del traffico e alla rottura del materiale.

"La resistenza di un materiale è normalmente correlata alla dimensione dei grani interni: più piccoli sono, meglio è", ha affermato Minor, che è anche professore di scienza e ingegneria dei materiali alla UC Berkeley. "Ma l'elevata resistenza e la duttilità sono generalmente proprietà che si escludono a vicenda."

Inserisci i nanogemelli. I nanotwin sono un tipo specifico di disposizione atomica in cui i minuscoli confini della struttura cristallina si allineano simmetricamente, come immagini speculari l'uno dell'altro. Tornando alle strade atomiche, i semafori sulle “strade” del grano si trasformano in dossi con una struttura nanogemellata, rendendo più facile per gli atomi muoversi senza accumulo di stress pur mantenendo una maggiore forza.

I materiali nanoaccoppiati non sono una novità. Tuttavia, la loro realizzazione richiede in genere tecniche specializzate che possono essere costose. Queste tecniche hanno funzionato per un insieme selezionato di metalli come il rame e vengono generalmente utilizzate solo per realizzare pellicole sottili. Inoltre, nella maggior parte dei casi le proprietà del film sottile non si traducono in materiali sfusi.

Per creare il titanio nanogemellato, il gruppo di ricerca ha utilizzato una tecnica semplice, la crioforgiatura, manipolando la struttura del metallo a temperature ultra-basse. La tecnica inizia con un cubo di titanio molto puro (oltre il 99,95%) posto in azoto liquido a meno 321 gradi Fahrenheit. Mentre il cubo è immerso, la compressione viene applicata a ciascun asse del cubo. In queste condizioni, la struttura del materiale inizia a formare confini nanogemelli. Il cubo viene successivamente riscaldato a 750 gradi Fahrenheit per rimuovere eventuali difetti strutturali formatisi tra i confini gemelli.