Due leghe sperimentali a base di niobio e titanio hanno resistito alla propagazione delle cricche fino a 20 kelvin, circa −253 °C. Alla temperatura più bassa testata non è stata osservata una transizione verso la fragilità. I risultati indicano che questi materiali possono continuare a deformarsi anche quando il freddo rende più difficile il movimento dei difetti cristallini che normalmente aiutano i metalli ad assorbire le sollecitazioni.
La ricerca è stata condotta da un gruppo internazionale guidato dall’Università della California, Berkeley, dal Lawrence Berkeley National Laboratory e dall’Università di Oxford. Lo studio è stato pubblicato su Nature il 14 ottobre 2026.
Molti metalli diventano più resistenti quando si raffreddano, ma alcuni diventano anche più inclini a rompersi. Ferro, tungsteno e cromo, per esempio, hanno una struttura cristallina cubica a corpo centrato, nella quale gli atomi sono disposti secondo una geometria che può favorire la fragilità alle basse temperature. In condizioni normali, un metallo può attenuare le forze attorno a una cricca deformandosi; se invece si rompe prima di riuscirci, la cricca può propagarsi.
La capacità di deformarsi dipende in buona parte dalle dislocazioni, difetti lineari nella struttura cristallina. Quando la temperatura scende, queste dislocazioni diventano più difficili da muovere e il materiale ha meno possibilità di deformarsi per ridurre le sollecitazioni.
Dong Liu
Per verificare il comportamento delle due leghe al freddo estremo, i ricercatori hanno usato lo strumento Engin-X presso la sorgente di neutroni e muoni ISIS, nell’Oxfordshire. Hanno raffreddato i campioni con elio gassoso fino a circa −253 °C e li hanno sottoposti a un fascio di neutroni mentre una macchina li tirava da entrambe le estremità. Le prove hanno misurato la forza sopportata dai campioni e il loro allungamento prima della rottura.
Le analisi al microscopio elettronico hanno rivelato geminazioni su scala nanometrica: piccole regioni del cristallo si riorganizzano assumendo orientamenti speculari. A questo fenomeno si accompagnava una trasformazione locale della struttura cristallina. Il gruppo ha inoltre mappato la distribuzione degli elementi con l’analisi a sonda atomica e ha usato modelli al computer per studiare come i diversi meccanismi contribuissero a evitare la frattura fragile.
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Quando le nuove strutture raggiungevano i confini tra cristalli adiacenti, creavano zone di stress concentrato, capaci di innescare nuove dislocazioni. Questi difetti permettevano al materiale di continuare a deformarsi e di assorbire le forze attorno alle cricche. In questo modo, le leghe potevano compensare la difficoltà di movimento delle dislocazioni già presenti generandone di nuove ai confini tra i cristalli.
«I nostri risultati suggeriscono che dovremmo rivedere il modo in cui consideriamo i fattori che determinano la transizione alla fragilità in questi metalli», ha dichiarato l’autore principale David Cook, che durante lo studio lavorava all’Università della California, Berkeley, e ora è all’Università di Cambridge. «Tradizionalmente, l’attenzione si è concentrata sulla facilità con cui le dislocazioni già presenti possono muoversi attraverso un metallo; ora, però, sembra che anche la capacità di creare nuove dislocazioni alle interfacce possa essere fondamentale. Sulla base di queste conoscenze, potremmo riuscire a progettare condizioni microstrutturali che consentano a un materiale di creare autonomamente percorsi per mantenersi duttile a temperature estreme».
Tra le possibili applicazioni ci sono componenti per i settori dell’energia, dei trasporti e dell’aerospazio, destinati a operare in condizioni di freddo eccezionale.
Dong Liu, autore corrispondente dello studio e professore al Dipartimento di scienze ingegneristiche dell’Università di Oxford, ha commentato: «Per decenni, la transizione duttile-fragile è stata considerata un limite fondamentale dei metalli a struttura cubica a corpo centrato. Ciò che ci ha sorpreso è che queste leghe rimangano straordinariamente resistenti ai danni persino a 20 kelvin. Scoprendo come la geminazione e la trasformazione di fase collaborino nel generare plasticità prima che possa intervenire il consueto movimento delle dislocazioni, abbiamo individuato un nuovo percorso per progettare metalli strutturali a struttura cubica a corpo centrato in grado di operare in ambienti criogenici estremi. Questa classe di materiali sarà estremamente utile per componenti che, in una stessa applicazione, sono esposti a temperature estreme, sia alte sia basse».
Lo studio, intitolato «Meccanismi concorrenti rendono più tenaci le leghe binarie e a entropia media a struttura cubica a corpo centrato a 20 K», è firmato da David H. Cook, Xiaoyu Chen, Michael O’Leary, Satish Rao, Wenqing Wang, Calvin H. Belcher, Madelyn Payne, Pedro Borges, Tung Lik Lee, Arun Devaraj, Mark Asta, Enrique J. Lavernia, Diran Apelian, Andrew M. Minor, Dong Liu, Punit Kumar e Robert O. Ritchie. DOI: 10.1038/s41586-026-11065-7.
La ricerca è stata finanziata principalmente dal Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti, Ufficio della scienza, programma di ricerca di base sulle scienze energetiche, Divisione di scienza e ingegneria dei materiali, attraverso il programma Damage-Tolerance in Structural Materials (KC-13) presso il Lawrence Berkeley National Laboratory, nell’ambito del contratto DE-AC02-CH11231. Google Google News
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Fonte: scitechdaily.com
