Come l’acciaio può diventare più resistente, replicando le proprietà del tessuto osseo.

Un team di ricercatori ha effettuato uno studio che permette la creazione di un nuovo tipo di acciaio molto più resistente. Possibili applicazioni future nel settore automobilistico e aerospaziale.

La natura si è basata sulle strutture ossee per la costruzione di strutture per centinaia di milioni di anni. Alcuni ricercatori hanno voluto prendere spunto da tutto ciò e si sono impegnati a progettare e modellare un nuovo tipo di acciaio che imita le caratteristiche dell’osso, acquisendo una resistenza speciale alle pressioni ripetute per un tempo molto più prolungato in confronto ai tipi tradizionali di acciaio.

L’acciaio contribuisce a formare gli scheletri di ponti sospesi che misurano anche chilometri di lunghezza e di grattacieli alti diverse centinaia di metri. Tuttavia, in certi casi, l’osso supera l’acciaio. Per esempio, l’osso può sopportare approssimativamente il peso dell’acciaio inossidabile, pesando quattro o cinque volte di meno.

Precedenti ricerche hanno scoperto che, nonostante sia composto da minerali fragili, l’osso è altamente resistente alle fratture grazie alle proprietà della sua struttura. Questo studio ha portato il team di Cem Tasan, esperto di metallurgia al Massachusetts Institute of Technology a cercare evidenze sul fatto che l’acciaio, una volta in grado di imitare le strutture proprie dell’osso, possa rivelarsi più resistente alla pressione.

L’acciaio si affatica quando viene esposto ad uno sforzo ripetuto: per citare un esempio, quando gli autocarri attraversano i ponti o quando gli aerei subiscono variazioni di pressione durante le manovre di ascensione e di discesa, si formano delle fessure microscopiche che crescono nel tempo. Molti incidenti improvvisi e talvolta pericolosi per le vite di tutti noi, che hanno coinvolto centrali nucleari e missioni spaziali, sono dovuti alla fragilità dei materiali utilizzati. Per questo motivo, queste strutture imponenti e delicate al tempo stesso sono spesso costruite con grandi margini di sicurezza che incidono notevolmente sui costi.

Le precedenti ricerche scientifiche hanno suggerito che l’osso maturerebbe una buona resistenza alla frattura perché la sua struttura reticolare interna impedisce alle crepe di diffondersi e allargarsi.

“Se si guarda la struttura dell’osso mediante un ingrandimento progressivo, la sua complessità diventa sempre più evidente mano a mano che si procede con lo zoom; questa caratteristica è quella che aiuta a combattere le crepe” Cem Tasan

Per progettare una lega di metallo simile all’osso, Tasan e i suoi colleghi hanno esaminato due tipi di acciaio con strutture comparabili a quelle dell’osso, composti rispettivamente da ferrite/cementite e martensite/austenite, in grado di stimolare un certo grado di plasticità. Queste tipologie di acciaio possiedono alcune proprietà peculiari che limitano la formazione e la crescita delle crepe.

L’acciaio costituito da ferrite e cementite è nanolaminato, il che significa che la sua struttura è separata da molti strati spessi solo pochi nanometri, o miliardesimi di metro. Tutto questo aiuta ad impedire che le crepe si diffondano al di fuori dello strato in cui si originano.

L’acciaio di martensite e austenite è metastabile, il che significa che uno dei tipi di cristallo che ne costituisce la struttura può passare attraverso diversi stadi di stabilità. Ciò aiuta l’acciaio ad assorbire l’energia prodotta dalle fratture e a far sì che quest’ultime vengano riparate.

E infine, entrambi questi tipi di acciaio sono multifase, il che significa che hanno differenti tipi di cristallo nella loro struttura con diversi gradi di durezza. Questa caratteristica impedisce alle crepe di diffondersi in linea retta. Poiché le fratture risultanti coprono un’area maggiore, esse incontrano più attrito, crescendo più lentamente.

Gli scienziati hanno poi sviluppato una nuova lega che combina tutte e tre queste proprietà. Nei suoi livelli più piccoli, l’acciaio è composto da strati che vanno da soli 100 a 300 nanometri. (In confronto, lo spessore dei capelli umani misura in media circa 100.000 nanometri di diametro).

I ricercatori si sono resi conto che la nuova lega è significativamente più resistente alle fratture rispetto al tipo di acciaio utilizzato nei telai delle automobili. Una volta che viene sottoposto a cicli di stress ripetuti, l’acciaio presente nelle auto sviluppa delle crepe microscopiche già tra i 10.000 e i 100.000 cicli, mentre la nuova lega le ha sviluppate soltanto dopo circa 10 milioni di cicli, come ha avuto modo di dimostrare Motomichi Koyama, autore principale dello studio, all’Università di Kyushu a Fukuoka, in Giappone.

“Questa è una ricerca davvero fantastica”, ha affermato lo scienziato esperto in materiali Daolun Chen dell’università Ryerson di Toronto, che non ha preso parte a questo studio. “Questo lavoro potrebbe portare allo sviluppo di acciai avanzati resistenti allo sforzo che avranno importanti implicazioni nell’industria automobilistica e aerospaziale”, ha concluso Chen.

Secondo il parere di Tasan, la ricerca futura sarà finalizzata a controllare meglio i processi metallurgici che sono alla base della produzione di questo nuovo tipo di acciaio, impedendo la formazione di impurità che li possano indebolire. Gli scienziati hanno esposto nel dettaglio i loro risultati online nella rivista Science.


Tradotto in Italiano. Articolo originale: InsideScience


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