In Caso di Impatti Estremi, i Metalli Diventano più Forti se Riscaldati
Una Scoperta Inaspettata: Potenziale per la Progettazione di Schermature Spaziali e Applicazioni ad Alta Velocità
Generalmente, i metalli tendono a diventare più morbidi quando vengono riscaldati, permettendo ai fabbri di modellare il ferro riscaldandolo fino a renderlo incandescente. Chiunque abbia maneggiato un filo di rame e una gruccia d’acciaio noterà immediatamente che il rame è molto più flessibile rispetto all’acciaio.
Tuttavia, i ricercatori del MIT hanno scoperto un fenomeno contrario quando il metallo viene colpito da oggetti a velocità estremamente elevate: più il metallo è caldo, più diventa resistente. In queste condizioni di stress estremo, il rame può diventare resistente quanto l’acciaio. Questa scoperta potrebbe rivoluzionare la progettazione di materiali per ambienti estremi, come le schermature per veicoli spaziali o aerei ipersonici, e per attrezzature utilizzate in processi di produzione ad alta velocità.
Dettagli della Ricerca
La ricerca, pubblicata sulla rivista Nature, è stata condotta da Ian Dowding, studente laureato del MIT, e Christopher Schuh, ex capo del Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali del MIT, ora preside di ingegneria presso la Northwestern University e professore in visita al MIT.
Gli autori descrivono questa scoperta come “controintuitiva e in contrasto con decenni di studi in condizioni meno estreme”. Le velocità estreme degli impatti, come quelle dei meteoriti sui veicoli spaziali e nelle operazioni di lavorazione ad alta velocità, rendono questi risultati particolarmente rilevanti.
Metodologia degli Esperimenti
Gli esperimenti hanno coinvolto il lancio di minuscole particelle di zaffiro, dell’ordine di milionesimi di metro di diametro, su lastre di metallo piatte. Utilizzando raggi laser, le particelle raggiungevano velocità di poche centinaia di metri al secondo. A differenza degli esperimenti con dispositivi di simulazione più grandi, le particelle microscopiche non creano un’onda di pressione significativa, permettendo di isolare gli effetti meccanici da quelli termici.
Le particelle, fatte di allumina o zaffiro, misurano tra 10 e 20 micron di diametro, paragonabili a un decimo o un quinto dello spessore di un capello umano. Quando colpite da un raggio laser, parte del materiale della piattaforma di lancio vaporizza, creando un getto di vapore che spinge la particella nella direzione opposta.
Risultati e Implicazioni
Sparando queste particelle su campioni di rame, titanio e oro, i ricercatori hanno ottenuto la prima prova sperimentale diretta che dimostra come i metalli diventino più resistenti con l’aumento della temperatura sotto stress estremo. Questo fenomeno si deve a come le schiere ordinate di atomi nella struttura cristallina dei metalli reagiscono sotto diverse condizioni.
I ricercatori hanno identificato tre effetti separati che influenzano la deformazione del metallo sotto stress, con uno di questi effetti, chiamato rafforzamento della resistenza, che si inverte quando il tasso di deformazione supera una certa soglia. A temperature più elevate, l’attività dei fononi – onde sonore o di calore all’interno del materiale – aumenta, limitando la capacità delle dislocazioni nel reticolo cristallino di scivolare e deformarsi.
Ad un certo punto, però, l’aumento della temperatura porterà a sciogliere il metallo, invertendo nuovamente l’effetto e causando un ammorbidimento. “Ci sarà un limite a questo effetto di rafforzamento, ma non sappiamo ancora quale sia”, dice Dowding.
Applicazioni Future
Questi risultati potrebbero influenzare la scelta dei materiali per dispositivi destinati a sollecitazioni estreme. Metalli normalmente considerati più deboli, ma più economici o facili da lavorare, potrebbero trovare applicazione in nuovi contesti. Ad esempio, un elicottero in una tempesta di sabbia subisce impatti ad alta velocità delle particelle di sabbia, dove questi effetti di indurimento potrebbero rivelarsi cruciali.
Le tecniche sviluppate potrebbero essere applicate anche ad altri materiali e situazioni, inclusi altri metalli e leghe. Progettare materiali basandosi solo sulle proprietà note a condizioni meno estreme potrebbe portare a previsioni errate sul loro comportamento sotto stress estremo.
