Gli scienziati del Grainger College of Engineering hanno identificato il primo meccanismo fisico che spiega come i campi magnetici rallentano il movimento degli atomi di carbonio attraverso il ferro, alterando la struttura interna dell’acciaio.
I ricercatori del Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali del Grainger College of Engineering, in Illinois, Stati Uniti, hanno identificato il primo meccanismo fisico che spiega il modo in cui i campi magnetici rallentano il movimento degli atomi di carbonio attraverso il ferro. Pubblicato su Physical Review Letters, il lavoro potrebbe avviare lo sviluppo di metodi più efficienti e a basso consumo energetico per produrre acciaio più resistente.
Da anni gli scienziati notavano che i campi magnetici potevano migliorare l’acciaio, ma nessuno ne conosceva esattamente il motivo. Le nuove simulazioni del team del Grainger College of Engineerin hanno rivelato che il magnetismo modifica il comportamento degli atomi di ferro, rendendo più difficile per gli atomi di carbonio scivolare attraverso il metallo. Un aspetto che rallenta la diffusione a livello atomico e altera la struttura interna dell’acciaio.
L’acciaio, prodotto combinando ferro e carbonio, è uno dei materiali da costruzione più utilizzati al mondo. La sua forma interna richiede temperature estremamente elevate, che rendono la sua produzione estremamente dispendiosa a livello energetico. Decenni fa, gli scienziati hanno osservato che alcuni acciai si comportavano meglio se trattati termicamente in presenza di un campo magnetico, ma le spiegazioni all’epoca erano in gran parte teoriche. Senza una chiara comprensione fisica, gli ingegneri non avevano un modo affidabile per prevedere o controllare l’effetto.
Per affrontare questo interrogativo di vecchia data, i ricercatori ha applicato la loro esperienza nella modellazione della diffusione. Nelle leghe ferro-carbonio come l’acciaio, gli atomi di carbonio occupano piccole “gabbie” ottaedriche formate dagli atomi di ferro circostanti. Simulando il movimento degli atomi di carbonio da una gabbia all’altra, il team è stato in grado di individuare la causa del rallentamento del movimento dovuto ai campi magnetici.
Simulazione del magnetismo e del moto atomico
Utilizzando un approccio computazionale chiamato media di spin-spazio, gli scienziati hanno eseguito simulazioni che tenevano conto sia della temperatura, sia dei campi magnetici. Queste simulazioni hanno monitorato l’allineamento degli spin magnetici degli atomi di ferro in diverse condizioni. Quando i poli nord e sud di un atomo di ferro si allineano, l’atomo diventa ferromagnetico e fortemente magnetizzato. Quando non si allineano, l’atomo è paramagnetico e solo debolmente magnetizzato.
I risultati hanno mostrato che gli spin allineati innalzano la barriera energetica che gli atomi di carbonio devono superare per muoversi tra le gabbie. All’aumentare dell’ordine magnetico, la diffusione del carbonio rallenta, fornendo una chiara spiegazione fisica per l’effetto osservato da tempo.
Implicazioni per una produzione di acciaio più pulita e intelligente
Il team di ricerca ritiene che i risultati potrebbero contribuire a ridurre l’energia necessaria per la lavorazione dell’acciaio, abbassando i costi di produzione e riducendo le emissioni di anidride carbonica. Oltre all’acciaio, gli stessi principi potrebbero essere applicati ad altri materiali, consentendo agli scienziati di prevedere quantitativamente come i campi magnetici influenzano la diffusione atomica in modo più ampio.
“Volevamo effettuare calcoli reali; per mostrare non solo qualitativamente, ma anche quantitativamente, il campo e la temperatura effettivi. Ora che abbiamo queste informazioni, possiamo iniziare a riflettere di più sulle leghe ingegneristiche. Potrebbe essere estremamente vantaggioso scegliere leghe già esistenti o persino considerare leghe con composizioni chimiche che non stiamo ancora utilizzando” commenta Dallas Trinkle, professore di Scienza e Ingegneria dei Materiali Ivan Racheff e autore senior dell’articolo.
