Scoperta di quasicristalli in leghe di alluminio stampate in 3D: nuove prospettive nella progettazione dei materiali
Un gruppo di ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST) ha individuato strutture atomiche insolite all’interno di una lega di alluminio e zirconio prodotta con tecnologia di stampa 3D a letto di polvere laser. La scoperta riguarda i cosiddetti quasicristalli, una particolare forma di organizzazione della materia caratterizzata da un ordine interno senza periodicità, già nota nel mondo scientifico ma finora non osservata in questo specifico contesto produttivo.
Queste strutture erano state scoperte per la prima volta nei laboratori dello stesso NIST negli anni Ottanta, e la loro rilevanza scientifica fu tale da portare, nel 2011, al conferimento del Premio Nobel per la Chimica a Dan Shechtman.
Stampa 3D e condizioni termiche estreme: un contesto favorevole alla formazione dei quasicristalli
Nel processo additivo impiegato dal team del NIST, la lega metallica viene costruita attraverso la fusione selettiva di strati di polvere metallica mediante un laser ad alta potenza. Questa tecnica è nota per generare gradienti termici molto accentuati, dovuti all’alternanza di zone estremamente calde (sottoposte al laser) e zone più fredde adiacenti. Questo squilibrio termico può innescare la formazione di fasi cristalline o strutture atomiche non stabili in condizioni di raffreddamento tradizionali.
È proprio in questo contesto che il ricercatore Andrew Iams, durante un’analisi al microscopio elettronico, ha notato una configurazione atomica riconducibile a un icosaedro, una forma geometrica con simmetrie insolite. In particolare, l’icosaedro presenta simmetrie quintupla, tripla e doppia, caratteristiche non compatibili con i cristalli ordinari, ma tipiche dei quasicristalli. La conferma della loro presenza ha richiesto una rotazione millimetrica del campione al microscopio per osservare tali simmetrie da diverse angolazioni.
Effetti dei quasicristalli sulla resistenza meccanica dei materiali
Dal punto di vista strutturale, i quasicristalli non seguono il reticolo cristallino classico ma ne mantengono un ordine geometrico rigoroso, privo di ripetitività regolare. Questa caratteristica produce un effetto di ostacolo alla propagazione delle dislocazioni, cioè a quei difetti che permettono la deformazione plastica nei metalli. La loro presenza, quindi, può migliorare la resistenza meccanica della lega, rendendola più robusta e meno soggetta a fratture.
Nel caso specifico dell’alluminio ad alta resistenza, si tratta di un vantaggio significativo. Queste leghe, pur essendo molto leggere e resistenti, presentano spesso problemi di stampabilità legati alla formazione di crepe e tensioni interne durante la solidificazione. Come ha sottolineato il fisico Fan Zhang, coautore dello studio, riuscire a comprendere con precisione la struttura atomica di questi materiali è essenziale per superare tali criticità e renderli utilizzabili in applicazioni complesse, come i componenti per l’aeronautica militare.
Una scoperta che apre nuovi scenari nella progettazione delle leghe metalliche
Il valore di questa ricerca non si limita alla semplice osservazione di una struttura finora non documentata in ambito additivo. Si delinea, infatti, una nuova possibilità di progettazione controllata delle leghe metalliche, basata sull’intenzionale formazione di quasicristalli. Fino a oggi, la presenza di queste fasi era legata a condizioni sperimentali difficilmente riproducibili; con i nuovi strumenti e la maggiore conoscenza delle dinamiche termiche nella stampa 3D, diventa possibile indirizzare la microstruttura del materiale in modo funzionale.
Secondo Zhang, il passo successivo sarà quello di studiare in modo sistematico la formazione di quasicristalli in leghe diverse, per verificare se lo stesso effetto di rinforzo può essere riprodotto in altri sistemi. Questo approccio potrebbe ampliare il portafoglio di materiali adatti alla produzione additiva, oggi ancora limitato da problemi di deformazione e fragilità.
Verso leghe “ingegnerizzate” per la stampa 3D: nuovi strumenti per l’industria
Le implicazioni pratiche di questa scoperta riguardano in particolare l’ottimizzazione dei materiali per la stampa 3D di componenti soggetti a sollecitazioni meccaniche elevate. Progettare leghe che incorporino volontariamente quasicristalli potrebbe rappresentare una strategia efficace per coniugare leggerezza e resistenza, due requisiti cruciali in settori come l’aerospaziale, l’automotive e la difesa.
Inoltre, la possibilità di formare strutture complesse durante il processo di stampa, senza la necessità di trattamenti termici post-processo, riduce i costi e semplifica la catena produttiva, rendendo più competitiva l’adozione della produzione additiva anche per materiali strutturali avanzati.
