Ricerca sui materiali nello spazio con la partecipazione della Svizzera

Il vetro metallico ha un colore simile all'oro bianco, ma ha la durezza del vetro di quarzo. Allo stesso tempo, è elastico e resistente ai sali o agli acidi. Può essere lavorato nella stampa 3D, per esempio per impianti medici, o anche nello stampaggio a iniezione. Tuttavia, c'è ancora bisogno di molta ricerca materiale prima che questo sia possibile. All'Empa, Antonia Neels, capo del Centro raggi X dell'Empa, sta lavorando su questo misterioso materiale. Il suo team sta studiando la struttura interna del vetro metallico usando vari metodi a raggi X e scoprendo così correlazioni con proprietà come la deformabilità o il comportamento alla frattura. Anche per i professionisti della scienza dei materiali, i vetri metallici sono un osso duro: "Più guardiamo i campioni, più domande sorgono", dice Antonia Neels. Questo sprona ancora di più l'ambizione dei ricercatori.

Ora un campione di vetro metallico volerà nello spazio tra qualche mese. Sulla Stazione Spaziale Internazionale ISS, le proprietà del materiale saranno studiate in assenza di peso. Un gruppo di ricercatori con la partecipazione dell'Empa ha preparato i campioni e li ha registrati presso l'Agenzia Spaziale Europea ESA per il volo spaziale. La lega speciale è fornita dalla società PX Group di La Chaux-de-Fonds, che produce materiali per l'industria orologiera e la tecnologia dentale. Il team comprende anche i ricercatori Markus Mohr e Hans-Jörg Fecht dell'Istituto di nanosistemi funzionali dell'Università di Ulm e Roland Logé del Laboratorio di metallurgia termomeccanica dell'EPFL di Neuchâtel.

La produzione del vetro metallico non è del tutto semplice: rispetto al vetro per finestre, le leghe metalliche appositamente selezionate devono essere raffreddate fino a cento volte più velocemente affinché gli atomi di metallo non formino dei reticoli cristallini. Solo quando la colata si solidifica come una scossa, si forma un vetro. Nell'industria, le lastre sottili di vetro metallico sono prodotte pressando la massa fusa tra rulli di rame in rapida rotazione. I ricercatori a volte fondono i loro campioni in stampi fatti di rame solido, che dissipa particolarmente bene il calore. Ma i pezzi più grandi e solidi di vetro metallico non sono fattibili con questi metodi.

Una possibile via d'uscita dal dilemma è la stampa 3D utilizzando il cosiddetto processo a letto di polvere. Una polvere fine della lega desiderata viene riscaldata per pochi millisecondi con un laser. I grani di metallo si fondono con i loro vicini per formare una specie di lamina. Ora un sottile strato di polvere viene posto sopra, il laser fonde la polvere appena applicata con la lamina sottostante, e così un pezzo tridimensionale viene gradualmente creato da molti grani di polvere brevemente riscaldati.

Questo metodo richiede un dosaggio fine dell'impulso laser. Se il laser brucia troppo debolmente sulla polvere, le particelle non si fondono e il pezzo rimane poroso. Se il laser brucia troppo forte, fonde di nuovo anche gli strati inferiori. La fusione multipla permette agli atomi di riorganizzarsi, formano cristalli - e questa è la fine del vetro metallico.

Per rintracciare la crescita dei cristalli in un ambiente altrimenti amorfo, gli esperti dell'Empa utilizzano vari metodi a raggi X. "Con radiazioni di diverse lunghezze d'onda, possiamo imparare qualcosa sulla struttura delle parti cristalline, ma anche determinare fenomeni di ordine vicino degli atomi nel campione - in altre parole, determinare le proprietà dei legami chimici", spiega Neels. Inoltre, l'analisi a raggi X per immagini, la cosiddetta micro-CT, rivela qualcosa sulle fluttuazioni di densità nel campione. Questo indica la segregazione di fase e la formazione di cristalli. Tuttavia, le differenze di densità tra le regioni vetrose e cristalline sono minime. L'elaborazione dettagliata delle immagini è quindi necessaria per rendere visibile la distribuzione tridimensionale delle porzioni cristalline.

Perché la ricerca sui materiali in assenza di gravità?

Le precedenti ricerche sui materiali con metodi 3D hanno i loro limiti. Soprattutto, la questione di quali temperature si formano i suddetti cristalli e come crescono deve ancora essere chiarita. I parametri termo-fisici come la viscosità o la tensione superficiale giocano un ruolo in questo caso. Gli esperimenti sulla ISS offrono condizioni ideali per la loro analisi. Per testare il comportamento in assenza di peso, le prime gocce di vetro metallico sono state portate in sospensione in via sperimentale già nel 2019, a bordo di un Airbus A310, che ha effettuato un cosiddetto volo parabolico. Nell'esperimento chiamato TEMPUS (lavorazione elettromagnetica senza crogiolo in assenza di peso), la goccia di vetro composta da palladio, rame, nichel e fosforo è stata tenuta in sospensione per mezzo di un campo magnetico e riscaldata fino a 1500 gradi Celsius per induzione. Durante la fase di raffreddamento, due brevi impulsi di corrente di induzione hanno fatto oscillare la gocciolina incandescente. Una telecamera ha registrato l'esperimento. Dopo l'atterraggio, il campione di materiale è stato analizzato al centro raggi X dell'Empa. Tuttavia, poiché una durata più lunga di assenza di peso è necessaria per analisi più approfondite di quanto sia possibile su un volo parabolico, un campione di materiale è stato ora registrato per un volo nel modulo europeo COLUMBUS della ISS. Il forno a levitazione elettromagnetica ISS-EML è stato installato lì dal 2014. In ogni caso, 18 campioni di materiale volano lungo, vengono scambiati automaticamente e possono essere osservati dai ricercatori sulla Terra tramite flusso video. Il vetro metallico della Svizzera andrà nello spazio con il prossimo lotto di campioni.

Dai dati molto più dettagliati del volo spaziale, i ricercatori vogliono generare una simulazione al computer della fusione. Questo riunirà tutte le risposte in un modello uniforme attraverso una combinazione di esperimenti sulla Terra e nello spazio: Qual è la viscosità e la tensione superficiale a quale temperatura? Quando si formano i cristalli di quale composizione, dimensione e orientamento? In che modo questa struttura interna del materiale influenza le proprietà del vetro metallico? Da tutti questi parametri, i ricercatori vogliono sviluppare un metodo di fabbricazione insieme al partner industriale PX Group per poter produrre l'agognato materiale in una forma definita. Quindi c'è ancora molto da fare nei prossimi anni per i ricercatori dei materiali in tutti i team coinvolti.

Fonte e ulteriori informazioni: Empa