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Metalli superduri da nanoparticelle: ecco il nuovo approccio della Brown University

Un gruppo di ricercatori della Brown University ha condotto un esperimento che ha permesso loro di riuscire a costruire metalli superduri partendo da nanoparticelle, controllando con precisione le loro caratteristiche e migliorando così le proprietà meccaniche.

In campo metallurgico i processi più utilizzati per l’indurimento dei metalli sono per lo più di trasformazione meccanica che hanno lo scopo di modificare la struttura chimico-fisica del metallo tramite alterazioni di temperatura e pressione. L’obiettivo è quello di frantumare la struttura cristallina delle molecole che formano il metallo, riducendola in grani di piccole dimensioni: più piccoli sono i granuli, più il metallo risulta duro.

Metalli superduri: un nuovo approccio bottom-up

L’approccio dei ricercatori della Brown University parte invece dall’impiego di cosiddetti “nanocluster” di metallo per formare pezzi di metallo solido su scala macroscopica.

Dopo una prima analisi sperimentale della tecnica, i ricercatori hanno riscontrato la possibilità di realizzare metalli fino a quattro volte più duri delle strutture metalliche presenti in natura. I ricercatori in particolare osservano che tutti gli altri metodi di indurimento sono di tipo “top-down”, cioè dal generale al particolare, allo scopo di alterare la struttura dei granuli: questa strada, però, rende difficile riuscire a controllare con precisione la dimensione dei granuli stessi.

Impiegando invece blocchi di nanoparticelle che si fondono insieme quando sottoposte ad elevate pressioni diventa possibile avere a che fare con granulometrie uniformi che possono essere regolate con precisione a tutto vantaggio delle proprietà desiderate. In questo caso l’approccio è di tipo “bottom-up”, cioè dal particolare al generale.

Durante l’esperimento i ricercatori hanno realizzato dei piccoli tondini metallici, simili a monete, dalle dimensioni nell’ordine di grandezza dei centimetri e usando nanoparticelle di oro, argento, palladio e altri metalli. Elementi di tali dimensioni potrebbero essere impiegati per realizzare materiali di rivestimento ad altre prestazioni, elettrodi o generatori termoelettrici. I ricercatori credono che il processo possa essere ridimensionato per realizzare rivestimenti in metalli superduri per applicazioni di maggior dimensione.

Uno dei passaggi chiave del processo è un trattamento chimico a cui vengono sottoposte le particelle: i ricercatori hanno rimosso le molecole organiche chiamate ligandi che generalmente rivestono i blocchi di nanoparticelle impedendo la formazione di legami metallo-metallo. I ligandi vengono rimossi chimicamente, così da consentire ai cluster di fondersi anche con poca pressione. Le “monete” risultanti da questo processo hanno mostrato una durezza doppia o quadrupla rispetto al metallo standard, a fronte di una conduzione elettrica e ad una capacità di riflessione quasi identiche ai metalli ordinari.

“A causa di quello chè e noto con il nome di effetto plasmonico, le nanoparticelle d’oro sono in realtà di colore nero-violaceo. Quando abbiamo applicato pressione, questi granuli violacei diventano improvvistamente di un colore dorato brillante. Questo è uno dei modi in cui abbiamo capito di aver effettivamente formato dell’oro” ha spiegato Ou Chen, assistente professore di chmica alla Brown University e autore della ricerca.

Una tecnica adatta anche per il vetro metallico

Questa tecnica potrebbe essere impiegata per realizzare qualsiasi tipo di metallo, e i ricercatori hanno a tal proposito dimostrato la capacità di realizzare una particolare forma di metallo nota con il nome di vetro metallico. Si tratta di un materiale amorfo, cioè che non ha la struttura cristallina tipica dei metalli normali e che, per questo motivo, può vantare proprietà particolari: maggiore modellabilità, maggior resistenza a fratturazione e superconduttività a basse temperature.

“La produzione di vetro metallico da un singolo elemento è di norma molto difficile, quindi la maggior parte dei vetri metallici sono leghe. Siamo però stati in grado di utilizzare la nostra tecnica partendo da nanoparticelle di palladio amorfo per realizzare un vetro metallico al palladio” ha spiegato Chen.

L’auspicio è che questa tecnica possa essere impiegata commercialmente in futuro. Il trattamento chimico applicato ai nanocluster è abbastanza semplice e la pressione utilizzata per la loro compressione e la formazione dei metalli induriti è tranquillamente nel dominio di quanto ottenibile con macchinari industriali tradizionali. “Pensiamo che qui ci sia molto potenziale, sia per l’industria che per la comunità della ricerca scientifica”, ha concluso Chen.

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