I ricercatori del National Institute of Standards and Technology hanno scoperto speciali strutture atomiche chiamate quasicristalli nelle leghe di alluminio stampate in 3D che ne aumentano la resistenza.
I ricercatori del NIST hanno scoperto i quasicristalli, speciali strutture atomiche che aumentano la resistenza dell’alluminio stampato in 3D, rendendo possibile il suo utilizzo in oggetti leggeri e ad alta resistenza come componenti di aeroplani. Gli scienziati hanno pubblicato i loro risultati sul Journal of Alloys and Compounds.
La lega si è formata nelle condizioni estreme della stampa 3D in metallo, un nuovo modo di realizzare componenti metallici. Comprendere questo alluminio su scala atomica consentirà di sviluppare una categoria completamente nuova di componenti stampati in 3D, come componenti di aerei, scambiatori di calore e telai di automobili. Aprirà anche le porte alla ricerca su nuove leghe di alluminio che utilizzano i quasicristalli per la resistenza.
Che cosa sono i quasicristalli
I quasicristalli sono come i cristalli ordinari, ma con alcune differenze fondamentali. Un cristallo tradizionale è qualsiasi solido costituito da atomi o molecole disposti in schemi ripetuti. Il sale da cucina è un cristallo comune, per esempio. Gli atomi del sale si collegano per formare cubi, e questi cubi microscopici si collegano per formare cubi più grandi, abbastanza grandi da essere visibili a occhio nudo. Esistono solo 230 modi possibili in cui gli atomi possono formare strutture cristalline ripetute. I quasicristalli non rientrano in nessuno di questi. La loro forma unica permette loro di formare una struttura che riempie lo spazio, ma non si ripete mai.
Perché è difficile stampare l’alluminio?
Esistono diversi metodi per stampare in 3D i metalli, ma il più comune è la fusione a letto di polvere, in cui la polvere metallica viene distribuita uniformemente in uno strato sottile, quindi un potente laser si muove sulla polvere, fondendola. Una volta completato il primo strato, un nuovo strato di polvere viene steso sopra e il processo si ripete. Uno strato alla volta, il laser fonde la polvere in una forma solida.
L’alluminio normale fonde a temperature di circa 700 gradi centigradi. I laser di una stampante 3D devono aumentare la temperatura molto, molto più in alto: oltre il punto di ebollizione del metallo, 2.470 °C. Questo modifica molte delle proprietà del metallo, soprattutto perché l’alluminio si riscalda e si raffredda più velocemente di altri metalli.
Nel 2017, un team degli HRL Laboratories, con sede in California, e dell’UC Santa Barbara ha scoperto una lega di alluminio ad alta resistenza che poteva essere stampata in 3D. Hanno scoperto che l’aggiunta di zirconio alla polvere di alluminio impediva la formazione di crepe nei pezzi stampati in 3D, ottenendo una lega resistente. I ricercatori del National Institute of Standards and Technology si sono prefissati di comprendere a livello atomico questa nuova lega di alluminio-zirconio stampata in 3D, disponibile in commercio, per scoprire cosa rendesse questo metallo così resistente. Parte della risposta, si è scoperto, erano i quasicristalli: “Per poterci fidare abbastanza di questo nuovo metallo da poterlo utilizzare in componenti critici come le parti di aerei militari, abbiamo bisogno di una profonda comprensione di come gli atomi si combinano tra loro” ha continua Zhang.
Come fanno i quasicristalli a produrre alluminio?
Nei metalli, i cristalli perfetti sono deboli. Gli schemi regolari dei cristalli perfetti facilitano il passaggio degli atomi l’uno dall’altro. Quando ciò accade, il metallo si piega, si allunga o si rompe. I quasicristalli interrompono lo schema regolare dei cristalli di alluminio, causando difetti che rendono il metallo più resistente.
La scienza della misurazione dietro l’identificazione di un quasicristallo
Quando il team di ricerca osservò i cristalli dalla giusta angolazione, vide che avevano una simmetria rotazionale quintupla. Ciò significa che ci sono cinque modi per ruotare il cristallo attorno a un asse in modo che appaia uguale. “La simmetria quintupla è molto rara. Questo era il segno rivelatore che potevamo avere un quasicristallo. Ma non potevamo convincercene completamente finché non abbiamo ottenuto le misurazioni corrette” spiega il ricercatore Andrew Iams. Per confermare che si trattasse di un quasicristallo, Iams ha dovuto ruotare attentamente il cristallo al microscopio e dimostrare che aveva anche una simmetria tripla e una simmetria doppia da due angolazioni diverse. “Ora che abbiamo questa scoperta, penso che aprirà un nuovo approccio alla progettazione delle leghe. Abbiamo dimostrato che i quasicristalli possono rendere l’alluminio più resistente. Ora si potrebbe provare a crearli intenzionalmente nelle leghe future” conclude Zhang.
Foto NIST
