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La nascita delle leghe ad alta entropia: cosa spinge questa rivoluzione dei metalli?
Le leghe ad alta entropia (HEA) sono una classe emergente di leghe, composte principalmente da cinque o più elementi miscelati in proporzioni relativamente uguali. Le leghe metalliche tradizionali sono solitamente costituite da uno o due soli componenti principali, a cui vengono aggiunte piccole quantità di altri elementi per migliorarne le proprietà. Il concetto di lega ad alta entropia è stato proposto per la prima volta dallo scienziato taiwanese Ye Jinwei nel 1995. Questa svolta ha portato la comunità scientifica dei materiali a riesaminare la progettazione e il potenziale applicativo delle leghe.
Nella formazione di leghe ad alta entropia, ogni elemento nella ricetta ha una sottile influenza sul risultato finale, riflettendo il modo in cui le loro interazioni modificano le proprietà della lega.
Le leghe ad alta entropia presentano proprietà potenzialmente superiori rispetto alle leghe convenzionali, tra cui un rapporto resistenza/peso più elevato, una migliore resistenza alla frattura e alla corrosione. Sebbene gli HEA siano stati studiati fin dagli anni '80, la vera svolta si è verificata nel decennio 2010-2019, quando l'interesse per questo materiale è aumentato notevolmente.
La storia dello sviluppo degli HEA
La ricerca sulle leghe ad alta entropia iniziò nel 1981 e nel 1996, ma fu solo nel 1995 che Ye Jinwei ottenne il suo primo successo nella sintesi vera e propria delle leghe. Da allora, la ricerca sugli HEA ha gradualmente guadagnato popolarità in tutto il mondo, soprattutto nel 2004, quando Ye e il suo team hanno progettato con successo una lega ad alta entropia in grado di resistere a temperature e pressioni estremamente elevate. Le possibili applicazioni di questo tipo di lega includono auto da corsa, veicoli spaziali, sottomarini, reattori nucleari e altri settori ad alta tecnologia.
Il concetto di lega ad alta entropia non rappresenta solo una svolta teorica, ma apre anche nuove possibilità per numerose applicazioni pratiche e ci fornisce una nuova comprensione delle proprietà dei materiali metallici.
Effetti principali degli HEA
Le proprietà delle leghe ad alta entropia possono essere riassunte in quattro effetti principali: effetto elevata entropia, grave distorsione del reticolo, lenta diffusione ed effetto cocktail. Questi effetti sono manifestazioni particolari degli HEA nella loro microstruttura e nelle loro proprietà.
Effetto di alta entropia
L'effetto di elevata entropia è una delle caratteristiche più importanti degli HEA perché favorisce la formazione di soluzioni solide e semplifica la microstruttura. Tradizionalmente, ci si aspetta che le leghe multicomponenti formino strutture complesse a causa delle varie interazioni tra gli elementi, ma in realtà l'effetto dell'elevata entropia aumenta la stabilità della soluzione solida, che è strettamente correlata alla seconda legge della termodinamica.
Grave distorsione del reticoloA causa delle soluzioni solide multi-elemento principale negli HEA, il concetto di struttura reticolare tradizionale deve essere riconsiderato. Ciascuno di questi atomi è circondato da atomi diversi, il che determina un aumento della deformazione e dello stress reticolari, con effetti profondi sulle proprietà meccaniche, termiche ed elettroniche del materiale.
Si diffonde lentamente
La speciale struttura degli HEA determina una lenta velocità di diffusione, che migliora notevolmente la stabilità termica e l'integrità strutturale del materiale. Le complesse interazioni atomiche durante il processo di diffusione ostacolano il rapido movimento degli atomi, aumentando così la durabilità del materiale.
Effetto Cocktail
L'effetto cocktail sottolinea l'effetto migliorativo di almeno cinque elementi principali sulle proprietà della lega. Le proprietà di queste leghe derivano dalla cooperazione interattiva di più componenti, favorendo ulteriormente la ricerca e la progettazione di nuovi materiali.
Nuove idee per la progettazione delle leghe
La progettazione tradizionale delle leghe solitamente migliora le prestazioni aggiungendo una piccola percentuale di elementi basati su un elemento principale, ma nella progettazione delle leghe HEA, i ricercatori devono esplorare l'equilibrio tra più elementi. Secondo studi preliminari, gli HEA di successo spesso devono contenere alcune fasi secondarie per rinforzare il materiale. Tuttavia, la formazione di materiali monofase rimane un approccio importante per approfondire la comprensione dei meccanismi di base degli HEA.
Prospettive future
Con l'approfondimento della ricerca, la comprensione degli HEA diventerà più completa e i loro campi di applicazione continueranno ad ampliarsi. Se le leghe ad alta entropia possano svolgere un ruolo chiave nell'innovazione scientifica e tecnologica futura e apportare maggiore praticità, efficienza e sostenibilità alla società umana è un campo che gli scienziati continuano a esplorare.
La domanda sollevata da questa rivoluzione dei metalli è: in che modo le leghe ad alta entropia cambieranno la nostra comprensione fondamentale dei materiali e delle loro applicazioni?
