Gli scienziati hanno misurato la più alta tenacità di un materiale mai registrata prima, studiando una lega metallica di cromo, cobalto e nichel (CrCoNi). Non solo il metallo è estremamente duttile (che nella scienza dei materiali significa altamente malleabile) e incredibilmente forte (cioè resiste alla deformazione permanente), ma la sua forza e la sua duttilità migliorano quando diventa più freddo. Ciò è in contrasto con la maggior parte degli altri materiali esistenti.

Il team, guidato da ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) e dell’Oak Ridge National Laboratory, ha pubblicato uno studio che descrive i risultati da record su Science. “Quando si progettano materiali strutturali, si vuole che siano forti ma anche duttili e resistenti alla frattura”, ha dichiarato il co-leader del progetto Easo George, titolare della Cattedra di teoria e lo sviluppo di leghe avanzate presso l’Università del Tennessee. “In genere, si tratta di un compromesso tra queste proprietà. Ma questo materiale è entrambe le cose e, invece di diventare fragile a basse temperature, diventa più duro”. Il CrCoNi è un sottoinsieme di una classe di metalli chiamati leghe ad alta entropia (HEA). Tutte le leghe in uso oggi contengono un’alta percentuale di un elemento con l’aggiunta di quantità inferiori di altri elementi, ma le HEA sono composte da una miscela uguale di ogni elemento costituente. Queste ricette atomiche bilanciate sembrano conferire ad alcuni di questi materiali una combinazione straordinariamente elevata di resistenza e duttilità quando sollecitati, che insieme costituiscono la cosiddetta “tenacità”. Gli HEA sono stati sviluppati per la prima volta circa 20 anni fa, ma la tecnologia necessaria per spingere i materiali ai loro limiti nei test non era disponibile fino a poco tempo fa.

“La tenacità di questo materiale in prossimità delle temperature dell’elio liquido (20 kelvin, -424 Fahrenheit) raggiunge i 500 megapascal di radice quadrata. Nelle stesse unità di misura, la tenacità di un pezzo di silicio è pari a uno, quella della cellula di alluminio degli aerei passeggeri è di circa 35 e quella di alcuni dei migliori acciai è di circa 100. Quindi, 500 è un’enormità. Quindi, 500, è un numero sbalorditivo”, ha detto il co-leader della ricerca Robert Ritchie, scienziato senior della divisione di scienze dei materiali del Berkeley Lab e professore di ingegneria Chua alla UC Berkeley.

Ritchie e George hanno iniziato a sperimentare il CrCoNi e un’altra lega che contiene anche manganese e ferro (CrMnFeCoNi) molto tempo fa. Hanno creato campioni di queste leghe, poi hanno abbassato i materiali a temperature di azoto liquido (circa 77 kelvin, o -321 F) e hanno scoperto una resistenza e una tenacità impressionanti. I ricercatori hanno subito voluto proseguire il lavoro con test a temperature di elio liquido, ma ci sono voluti 10 anni per trovare strutture che consentissero di sottoporre i campioni a prove di stress in un ambiente così freddo e per reclutare membri del team con gli strumenti analitici e l’esperienza necessari per analizzare ciò che accade nel materiale a livello atomico. Fortunatamente, i risultati sono valsi l’attesa.

La realizzazione di super prodotti ma a tempo debito

Ora che la lega CrCoNi è stata scoperta, questa e altre HEA sono un passo pio vicino all’adozione per applicazioni speciali. Sebbene la creazione di questi materiali sia costosa, George ne prevede l’impiego in situazioni in cui le condizioni ambientali potrebbero distruggere le leghe metalliche standard, come ad esempio nelle temperature gelide dello spazio profondo. Lui e il suo team di Oak Ridge stanno anche studiando come leghe fatte di elementi più abbondanti e meno costosi – c’è una carenza globale di cobalto e nichel a causa della loro richiesta nell’industria delle batterie – potrebbero essere indotte ad avere proprietà simili.

Sebbene i progressi siano entusiasmanti, Ritchie avverte che l’utilizzo nel mondo reale potrebbe essere ancora lontano, per una buona ragione. “Quando si vola su un aereo, si vorrebbe sapere che a salvarci dalla caduta a 40.000 piedi è una lega per la cellula sviluppata solo pochi mesi fa? Oppure vorreste che i materiali fossero maturi e ben compresi? Ecco perché i materiali strutturali possono richiedere molti anni, persino decenni, per essere utilizzati davvero”.